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穿肠过肚微型机器人：未来医疗的神奇法宝

在1966年的电影《神奇的旅程》中，美国一个实验室的科学家将一艘名叫“变形虫”的潜水艇和其人类成员压缩到了微型大小，然后又将这个设备注入到了生病的科学家的身体内 。在身体内，发动机推动“变形虫”穿过血管进入了大脑，在那里，潜艇的成员穿上了潜水设备，并使用激光枪进行了精确的外科手术 。
【穿肠过肚微型机器人：未来医疗的神奇法宝】从我们21世纪的视角来看，《神奇的旅程》简直是一部天真到可笑的电影；但是，在微观尺度上进行手术的概念正在从科幻走向现实 。多亏了微制造等各项技术的发展，研究人员正在将医疗设备越做越小，未来有望让这些医疗设备小到能够穿过人体 。
在大概十年前左右，一个异想天开的设计出现了：利用公牛的精子、细菌或是海星状的微型钳（能够在温暖的地方让旋臂绕轴旋转）驱动的微型机器人，能够将DNA运送到细胞的旋转磁性螺旋，可操控的填充有药物的磁性球体，胃酸供能的微电机和能够扇动着穿过眼镜玻璃体的“微型扇贝” 。
目前这些设想大多还是实验室的概念和想象，但也有一些已经开始在进行动物测试了 。一些工程师也相信这些小东西终有一天会被应用到医药行业之中 。“我们最大的影响将会是在医疗保健行业 。”微型机器人专家MeTIn SitTI说，他是德国Intelligent Systems的马克斯·普朗克研究所物理智能部门的负责人 。
研究人员说，通过使用正确的设计，一个微型机器人（或叫机器虫）可以用来运送针对性很强的药物或放射性块、清除血液中的淤结、进行组织活检或者建造一个新的细胞可以生长其上的支架 。
这几类活动能够帮助扩展医药行业两个现有的趋势：早期疾病诊断和更精确的靶向治疗 。苏黎世联邦理工学院机器人和智能系统教授Bradley Nelson说：“梦想是实现《神奇的旅程》 。”
要实现这个梦想，就意味着要克服一系列的工程学上的障碍 。在微观尺寸上，机器操作的几乎每一个方面都需要重新思考，功能和运动方面的问题尤其棘手 。而要在人体内的工作又会带来额外的限制：你需要追踪物体所在的位置，还要确保这些物体是无毒无害的，而且还要设计成可无害降解或者在任务完成后能离开身体 。
“我想应该要不了几年，这一领域就将能够处理一些基本的问题 。”Nelson说 。现在，他补充说，问题的焦点变成了技术人员能够利用手中完成怎样的工作 。
医学正在拥抱小型化，而现在一些技术也使得机器能在不需要外部控制的情况下穿过人体 。比如说，一个电池驱动的药丸大小的机器人可以在穿过食道、肠道和结肠时拍摄图像 。
而在2012年，美国食品和和药物管理局为总部设立在加利福尼亚州红木城的Proteus Digital Health公司打开了绿灯，使得其更小的可吞咽技术能够向市场推广，他们的产品可以讲一个1平方毫米的硅电路嵌入到一个药丸中 。
“这是世界上最小的可消化的电脑，”Proteus的一位高级副总裁Markus Christen说 。接着他指出其计算能力是很有限的 。这个Proteus芯片既没有携带天线也没有携带电池 。相反，其包含了两个电极材料，当芯片周围的药丸降解时，电路将和胃中的胃液相接触，从而实现两个电极间的电导通 。只需要5到10分钟，芯片就将获得足够的能量（1毫瓦到10毫瓦之间）对电流进行调制，然后就能像贴在外部皮肤上的设备发送唯一的识别码 。
Proteus的芯片只是处在微型机器人行业的上游 。这个芯片已经绰绰有余的，Christen说，足够帮助病人追踪药物的消耗，并且帮助制药公司在测试新药时监视临床试验中药物是否遵循设计 。
要将物体做到更小更强大将需要更有创造性的解决方案 。其中做大的阻碍是功能问题 。小型化对传统的化学电池不利，马克斯·普朗克研究所的SitTI说 。当设备的尺寸低于1毫米时，“电池的容量将会急剧下降 。”
一个可选项是使用无线电波来进行无线充电，这样可以从体外给设备提供电力 。但这种方法在尺寸变小后也变得很困难 。为了收集能量，微型机器人需要某种形式的天线，而且天线还不能太小，否则也收集不到足够的能量 。另外，其还应该和供能源保持足够近的距离 。
鉴于这些限制的存在，工程师们也在寻找新的能量收集方式，比如从推进活动中收集能量 。比如采用化学火箭式的推进器，其能够通过和人体内的液体（如：胃酸）发生反应进行推进 。研究人员也在探索用生物混合结果能做出什么成绩，如使用细菌来驱动机器甚至可以让细菌跟踪特定的信号运动，比如追踪特定分子的浓度变化 。
在某些情况下，甚至还可能做到没有任何板上能量源 。约翰霍普金斯大学David Gracias和其同事开发出了一种微钳星型设备，这种设备两端之间的尺寸小于500微米 。其“钳”可以用能对环境因素（如：温度，PH值甚至酶）做出反应的材料制成 。对温度敏感的钳臂在暴露在身体热源的情况下会关闭 。如果放置恰当，其臂将紧密围绕组织进行微型活体检测 。
这种钳子可以为慢性炎症性肠道疾病患者提供一种微创式的结肠癌检查方式 。Gracias说目前这样的检查需要服用数十个带夹子的样本，这样才能获得良好的统计覆盖 。相反，医生可以通过管子注入成百上千个微型夹子到结肠之中，然后通过患者的粪便进行检测 。
根据在活猪身上的实验，Gracias的团队估计大约三分之一的微钳捕获到了组织 。其它的并没有取得成果，因为它们的运行走错了方向或者还没来得及接近任何东西 。但他说这种方法能够最大化减少成本，并且还利于制造，力量将会很强大 。
“典型的想法是，你有一个设备，然后你能精确地引导其完成外科手术 。”Gracias说，他的策略是借用了生物世界不完美的一页，“如果你有一大堆完美的设备，你可能将能够实现和一个完美的设备一样的功能 。”
胃肠道是人体内一个较为轻松的工作坏境 。其空间相对较大，也比较容易从外部进入，而且其自动会将物质送出体外 。但是如果要探测眼睛、大脑和血管等更复杂的位置，也需要更为复杂的微机器人设计 。
一个潜在的障碍是机器人可能会引发血栓 。“你可以和外科医生谈一谈，医生感到最棘手的问题并且不想谈论的问题之一就是把固体的东西放到血管里面 。”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校身体用软电子器件先驱John Rogers说，“这会给任何自由流动的结构带来非常严重的后果 。”
所以精确放置微型机器人是很关键的 。因为即使是能够追踪PH值或温度变化的强大的微型机器人可能也无法抵抗血管中强大的流量 。“事实上，这些东西并不会在你的血管中游动很长距离 。”苏黎世联邦理工学院的Nelson说 。一个自动化的微机器人也许只能快速定向运动20微米左右，他说，所以要让这些设备达到指定位置，很可能还需要外部指导 。
Nelson的一个目标是视网膜 。今天，用来治疗视网膜的药物已经可以直接注射到眼睛里，药物会在眼睛里慢慢扩散，最终只有很少一部分能到达其目标位置 。而微机器人能带着这些药物到达指定位置，从而减少了由此产生的副作用 。
外部引导机器人的一个明显的方法是使用磁性材料制造这些机器人，然后在外部使用磁场对其进行控制 。研究人员已经使用核磁共振机在动物身上进行了实验 。但Nelson，SitTI和其他研究人员正在研究如何使用更微弱的电磁场实现更强大的控制 。
事实证明，用磁场来移动微机器人是非常困难的 。“我们仍还在了解其中的数学和物理机制，”Nelson说 。要以任何方式移动一个带有机器臂的物体，你需要6个致动器来实现6个自由度：x，y，z轴方向上的移动，以及绕着各轴的旋转 。当他和他的同事终于找到能够控制简单的磁性微机器人的五个自由度的时候，他发现他至少需要8个独立的外部磁场线圈 。Nelson说，加上第六个自由度，那就需要微型机器人具有比简单的磁棒更加复杂的磁场轮廓 。
Nelson现在可以使用磁场强度小于10毫特斯拉的磁铁来控制螺旋微机器人，这个磁场强度只有核磁共振机磁场的一小部分 。“我们可以扭转这种螺旋和让它们做螺旋状运动或者前进 。”他说，这和大肠杆菌的鞭毛驱动方式有些类似 。今年早些时候，他的团队报告说他们已经在实验室中成功使用这些人工细菌鞭毛驱动的微型机器向人类细胞中运送遗传物质 。
短期内，Nelson将寻找一种较简单的方式给医生使用的磁控技术，可以帮助医生引导导管穿过心血管系统 。而在长期上，他将探索在没有外部控制的情况下的各种可能 。对于他和许多其他研究者来说，可能性还有很多 。

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