費曼狂想曲：能夠進入體內的「外科醫生」

1959年，諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼（Richard Feynman）在加州理工學院作了一場題為“There is Plenty of Room at the Bottom”（底層研究仍有廣闊天地）的演講，首先設想了體內微型機器人的可能性。

在費曼的猜想中，這類微型機器人依靠微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）驅動，能夠進入體內實施手術。當時，費曼說：「如果我們能夠吞下一個外科醫生，那麼很多複雜的手術都可以變得很有趣、很簡單。」

或許是費曼的影響力太大，十年後，科學研究界尚未進行研究，美國導演Richard Fleischer 就將費曼的設想拍成了經典的科幻電影，《神奇旅程》（Fantastic Voyage）。電影中，5名醫生被縮小成原體積的數百萬分之一，被注射進一位腦血管遭到破壞、性命攸關的患者體內，經過一系列冒險，最終成功找到出血點，及時挽救了病人的生命。

但，能夠進入人體的微型機器人，只能是一個幻想嗎？答案顯然存疑。

自從費曼提出「體內外科醫生」的概念以來，科學家們便被這個想法所吸引、激勵，投入到微型機器人的研究中，並取得了許多不錯的成果。科學家暢想著，在未來，機器真的可以進入人的體內，實現標靶治療、標靶給藥，幫助治療腫瘤等重大疾病。

1、「史萊姆」機器人

前段時間，一個叫做「史萊姆」（Slime）的磁控黏液微型機器人在 New Scientist 上火了。

它是由磁性黏液材料製作而成，可以進入體內，取出意外吞噬的小裝置。 4月1日一發布，立即在科技社群引起巨大轟動，網友紛紛驚掉下巴，瀏覽點擊率迅速超過十萬、百萬、千萬：

##與我們常見的機器人不同，這個機器人無論是外形、動作與能力，都更像一個「怪物」，與我們所想像的由剛體硬體打造、五官身軀酷似人類的「機器」「人」有很大的出入。

根據 Demo 顯示，它的外形像一坨烏黑的麵團，沒頭沒臉、沒手沒腳，身軀柔軟，外形變化多樣。

但雖然其貌不揚，這個「史萊姆」機器人卻具備多種奇特的功能，可以變化自己柔軟的身軀，在穿越窄縫、修補斷開的電線，還可以在人體的消化道內以吞噬的方式取出誤食的電子零元件。

即使將它切成幾段，再重新拼接，它也有「自癒合」的能力。

「史萊姆」機器人打破了大多數人對「機器人」的傳統印象，也憑藉其酷炫的未來感與潛在的強大力量，讓「體內微型機器人」進入大眾的視野。

「史萊姆」機器人的研發成員之一、香港中文大學張立教授介紹，「自癒」能力也是當前軟體機器人領域的熱門研究方向之一，主要體現為對不同環境的高適應性。而「史萊姆」機器人的強大之處，不僅在於將它切斷後、它可以自癒合，還在於將它放到液體中也能保持完整形狀，甚至在空氣、固體環境中也能穿行無阻。

圖註：香港中文大學機械與自動化工程學系教授張立

事實上，近年來微型機器人的研究成果層出不窮，如由微型馬達驅動的、大小如飛蠅/甲蟲的飛行機器人。而與它們不同，「史萊姆」機器人的獨特之處是在非牛頓液體材料中加入磁性粉末與磁性顆粒，從而實現磁場控制，使其行動靈敏、甚至可以自由變形。

而「史萊姆」機器人所呈現的「自癒」能力，也是依托材料本身的特性，加上外界的磁性引導，在「身體」切斷後由相距較近的高聚物相互作用，重新融為一體。

要注意的是，「史萊姆」機器人目前沒有自主移動的本領，它的移動伸縮靠的是外部磁場控制裡面的釹磁鐵（可以理解為「強力小磁球」）。

「『史萊姆』機器人本身沒有固定的形狀。它是黏液狀的，加了磁場後，它會對磁場做出回應。你將磁鐵從左往右移動，它就會隨著磁鐵從左往右。受磁力的大小，它很容易產生形狀的變化。例如，如果有人不慎誤吞有害元件，把它變成一隻手、包裹抓取。」張立向AI科技評論介紹。

這也是張立所領導的先進奈米材料與微型機器人實驗室（Advanced Nanomaterials & Microrobotics Laboratory，ANML）第一次製作磁性黏液機器人。先前，ANML曾製作過許多不同類型的微型奈米機器人，包括3D技術列印的仿生昆蟲機器人，均是基於磁場進行遠端操控，「但像『史萊姆』機器人這樣的黏液狀、有如此大變形的，可以像大象的鼻子一樣捲起來的，還是第一次。」張立談道。

更令人驚嘆的是，該工作的第一作者、ANML實驗室在職博士後孫猛猛從加入ANML、開始研發到發表文章，僅花了半年時間。

圖註：孫猛猛博士

「這主要是因為孫猛猛原先在哈爾濱工業大學讀博（師從謝暉教授）時就已經有一些想法。過來後，藉助我們課題組在相關材料與磁控操作上所累積的大量經驗，專案進展得很順利。」張立介紹。

考慮到人體內部環境的複雜度，張立團隊設想，「史萊姆」機器人或許能在消化道有一定的應用空間，原因主要有幾點：一是消化道的空腔較大，「史萊姆」機器人在裡面的穿梭會比較順暢；二是人體的消化道本就有許多微生物菌群，嘗試體內機器人的風險相對低；三是「史萊姆」機器人的製作材料經過細胞毒性測試，毒性較低，若只在體內短暫停留、後排出體外，理論上是安全的。

當然，目前將「史萊姆」機器人作為體內醫治執行器的想法仍處於一個設想階段，有待進一步探索。

2、體內微型機器人的發展

「史萊姆」機器人的表現可喜，但回溯這種能夠進入體內的微型機器人的發展歷史，不過短短數十載。

上世紀七十年代，美國情報機構為推動機密研究，試圖設計一些能夠執行戰俘援助​​和電子攔截任務的微型機器人，但由於當時底層支援技術未完全開發出來，微型機器人原型並沒有從這套早期的計算和概念開發出來。

直到21世紀，微型機器人才正式問世。隨著微機電、微驅動器等多學科領域的發展作為鋪墊，微型機器人取得重要技術突破並逐漸成為國際研究熱點。

圖註：仿生微型機器人

相對於研究了大半個世紀的大型機器人來說，微型機器人的發展不過二十餘年， 「能夠進入體內的微型機器人」更是屈指可數，國內外均處於剛起步的階段。

微型機器人有不同類別，其中，微型醫療機器人被業界認為最有發展前景的應用領域。日本科技政策研究院曾預測「未來醫療領域使用微型機器人和機器人的手術將超過整個醫療手術的一半」。

在國外，日本率先採用「機器人外科醫生」的計劃，並正在開發能在人體血管中穿梭、用於發現並殺死癌細胞的超微型機器人。美國馬裡蘭州的約翰霍普金實驗室研發出一個裝有微型矽溫度計和微型電路的微型偵測裝置，吞入體內，可以將體內的溫度資訊發給記錄器。瑞典科學家發明了一種大小如英文標點符號的機器人，未來可移動單一細胞或捕捉細菌，進而在人體內進行各種手術。

国内研究员也早早关注到这一前沿方向，如苏州大学的孙立宁教授、沈阳自动化研究所的刘连庆教授。在「体内机器人」一块，青年学者如香港中文大学教授张立、深圳先进院研究员徐天添，也不甘落后，从材料与控制两大方向入手，探索新的机遇。

总的来说，体内机器人的实现，有三大要素：一是「微」体形的实现；二是与体内环境相适配的安全材料；三则是机器人在体内的「自动驾驶」技术。

就拿「史莱姆」机器人来说，其最大的突破就是材料。它采用了具有非牛顿流体特征的聚乙烯醇与硼砂材料、外加一层二氧化硅，其黏稠度随着与外界的接触产生变化，对环境具有高适应性，在气态、液态与固态环境中均可延伸爬行，可进行多模态操纵。

图注：在池内倒入非牛顿液体可进行水上漂

不过，硼砂的毒性安全度仍未得到保障，该领域目前研究的一个重点就是找出更适合构建微型医疗机器人的材料。材料要具备柔性化、亲肤化、无毒无害、易于排除体内、便于操作等特点。

对于创新性与安全性，张立教授的看法是：「有时科学家跟医生的想法不尽相同。医生往往比较保守，往往首先考虑安全性，而科学家更多强调创新性。这两者有一定矛盾。」但在医疗场景中，毋庸置疑，安全必然是第一位。

除材料以外，对微型机器人的体内路径控制又是实现「外科医生」另一亟待解决的难题。近年来，体内微型机器人的研究重点经历了三个阶段的变化：从开环控制到闭环控制、从单一运动模态到多种运动模态、从单个机器人到多个机器人。对微型机器人集群的操控，在体内医疗场景中有实际的应用价值，也是目前机器人领域的一大研究趋势。

与单一机器人相比，集群微机器人有两大优势：

一是减少失败率。比方说，对于载药来说，集群机器人的载药剂量可以提高。此外，在血液等环境中，单一的微小机器人很容易被血液冲走，或被巨噬细胞吞噬，这时若切换为集群机器人，可以提高治疗的成功率；

二是集群便于观测。如今的机器人可以做到纳米尺度，但当它们放于在体内时，用现有的医疗影像设备清晰观测到单一机器人的难度极高。就像潜水，我们往往容易忽视从眼前游过的一条小鱼，却常常被远处一群黑压压的鱼所震撼到。

3、路径控制：体内「开车」

在微型机器人的路径控制方面，中国科学院深圳先进技术研究院（简称「深圳先进院」）的研究员徐天添是一枚科研「新星」。

徐天添是自动化控制背景出身，先后在在巴黎中央理工大学与巴黎第六大学获得硕士、博士学位，从博士期间开始研究微型机器人。2014年博士毕业后，她加入香港中文大学张立教授团队担任博士后研究员。2016年，她正式加盟深圳先进院集成所智能仿生中心，目前是深圳先进院唯一一位研究医疗微型机器人路径控制的科学家。

图注：深圳先进院徐天添研究员

从徐天添教授的角度看，体内微型机器人的路径控制研究大约可以分为三个方向：一是如何让微型机器人在体内动起来？二是如何让它们按照既定的路径运动？三是如何让它们适应体内的复杂环境？

如果将微型机器人比喻成汽车，那么，机器人在体内悬空运动，就相当于控制一辆汽车在复杂闹市的空中行驶，难度极高，安全风险因素也极高。

要注意的是，微觀世界的許多物理定律與宏觀世界不一樣。例如，1976年，諾貝爾物理學家E.M.Purcell 提出「扇貝定律」(scallop theorem），也就是扇貝在把貝殼迅速打開、再慢慢關上時，由於慣性，扇貝迅速打開的時候會往前一竄，形成一竄一竄地「運動前進」。然而，在微觀世界裡，由於慣性力在黏性面前幾乎可以忽略不計，扇貝的開合行動也無法使它前進。

人體的體內環境也是一個微觀世界。如何讓微型機器人在體內動起來？

徐天添與團隊合作，從自然界中汲取靈感：一種是大腸桿菌，由螺旋形的尾巴驅動前進，就像擰一顆螺絲，一邊轉、一邊前進；另一種是精子柔性振動，透過拍打自己的尾巴，振動前進。在這兩種方式下，他們成功地製造出螺旋型機器人與精子狀的仿生機器人，成功地讓機器人在模仿體內的環境中動了起來。

圖註：微型機器人在液體中「螺旋泳」前進

但是，光讓機器人在體內動起來還不夠。必須確保前進的路徑是安全的，且不能在體內橫衝直撞……

因此，為了確保機器人在體內「精準」穿梭，繞過危險區域，確保安全性，研究微型機器人的路徑控制顯得尤為重要。且如前所述，機器人在體內的運作是「空中前進」，這就要求機器人具備 3D 運動能力。

2019年，徐天添團隊便提出了一種新型的路徑跟隨控制演算法，採用路徑微分法，把給定的任意路徑微分成各個小段，讓它在每一個點找它最近的小段，來控制它的前進方向。他們的演算法針對毫米級的磁驅動軟體機器人成功實現了3D 路徑控制，相關工作獲得了IEEE智慧機器人與系統國際會議（IROS）最佳應用論文獎：

在路徑控制一塊，徐天添團隊採取的也是磁控。磁控的主要優點在於可以無線操控：若機器人進入體內，人類研究員或醫生可以在體外實施操作。同時，磁控的反應時間短、功率密度高，可重複性也高，機器人可以多次成功到達病灶部位，消除成功率的隨機性。

圖註：徐天添團隊的多自由度磁控裝置

實現單一機器人的3D路徑控制後，徐天添與團隊又向多機器人的協同控制研究邁進。

徐天添向AI科技評論解釋，基於磁控的微機器人群操作有兩大難點：一是同一個磁場裡所輸入的信號是相同的，這會導致多個微型機器人的前進方向與速度一致；二是微型機器人之間缺乏通訊，無法獨立控制。

為了解決這個問題，徐天添與團隊鑽研多年，終於在今年年初取得了成果——

他們提出一種完全解耦的方法，無須通訊，用外部的統一信號來感知機器人，解決如何對相同的訊號產生不同的輸出的問題，首次實現了4個磁性軟體微型機器人的獨立位置控制和3個磁性軟體微型機器人的獨立路徑跟隨控制，相關工作（“Independent Control Strategy of Multiple Magnetic Flexible Millirobots for Position Control and Path Following」）發表在國際機器人頂刊T-RO 上。

圖註：毫米級機器人的獨立位置控制：（a）兩個機器人位置控制；(c)三個機器人位置控制；(e) 四個機器人位置控制； (b)、(d) 和(f) 為機器人的對應的位置軌跡

這個工作在多微型機器人的協同控制上邁進了一大步。不過，徐天添也向AI科技評論表示，目前他們也只實現了4個微機器人的獨立控制，在未來，還要朝著更大的目標前進。

值得注意的是，在路徑控制一塊引入人工智慧演算法，也正在成為趨勢。例如，徐天添等人便從2020年開始採用華南理工大學電腦學院院長陳俊龍在2016年提出的「寬度學習」方法，自動計算與優化對機器人在複雜環境中的控制率，從而實現更好的控制。

4、設想與現實

那麼，距離微型機器人進入體內還有多久呢？

毫無疑問，費曼的猜想很前衛，「體內外科醫師」的設想也令人十分神往。

前段時間，Nature也發文探討了微型機器人用於癌症治療的前景。例如，抗癌藥物通常採用散彈槍方法，傳統治療方法在靜脈注射凝血藥，但會面臨血栓風險。而化學療法在破壞腫瘤的同時，不可避免地附帶攻擊健康細胞，引發一系列副作用。而針對這個困境，夢寐以求的替代方案是將一個微型機器人注射到患有癌症的人體內進行標靶治療和給藥。

遙想微型機器人在有朝一日能夠進入體內進行癌症醫治，張立有著極大的研究熱情與動力。但同時，研究人員也清醒地意識到：體內微型機器人的落地還有很長的路要走。例如，至今國內外都還沒有研究人員真正將微型機器人在體內落地。雷峰網

安全、倫理、性價比、風險控制等等，都是人們未來要解決的問題。

在推動體內機器人的研究與落地上，科學家們在努力。張立向AI科技評論表示，近年來，香港政府投資了4.7億港幣在香港科學園區建設了一個醫療機器人創新技術中心（如下圖），配備了技術先進的醫療影像設備、磁力共振技術與X光等等，幫助科學家進行醫療機器人的創新與科技孵化。

圖為張立教授提供

「從科學研究的角度說，我不覺得『史萊姆』機器人是具有里程碑意義的創新。」張立談道，「我們更希望實現的是賦予微機器人智慧性，在微機器人的集群和控制系統上有所突破，讓裝置更安全、更小型化、更智慧化，然後找到它在醫學上的應用出口，最終的目的，是要造福人類。」

也許，費曼在上世紀50年代提出的「體內外科醫生」的設想在不遠的時日就會實現，未來它可以應用到人體任何部位，如眼底、視網膜、胃腸道、膀胱或血管。

讓我們一起期待這一天可以早點到來。

參考連結：

https://www.nature.com/articles/d41586-022-00859-0

https://twitter.com/newscientist/ status/1509599345255100417

https://www.siat.ac.cn/yjdw2016/rcdt2016/201912/t20191206_5449581.html##wiki#wiki>

##https://cuhk.edu.hk/chinese/features/zhang_li.html

http://www.cuhklizhanggroup.com/

http://people. ucas.edu.cn/~xutiantian

https://m.xzbu.com/9/view-9606955.htm 

以上是費曼狂想曲：能夠進入體內的「外科醫生」的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！