FeynmanRhapsody:一个可以进入人体底部的“外科医生”（底层研究还有广阔的空间），首先设想了微型机器人进入人体的可能性。在费曼的猜想中，这类微型机器人是由微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）驱动，可以进入人体进行手术。当时，费曼说：“如果我们能吞下外科医生，那么很多复杂的手术就可以变成很有趣也很简单。”也许是费曼的影响太大了。十年后，科研界还没有进行研究，美国导演理查德·弗莱舍将费曼的设想拍成了经典科幻电影，《神奇旅程》（奇幻之旅）。在电影中，五名医生被缩小到原来的百万分之一，给一名脑血管受损的危及生命的病人注射药物，经过一系列的冒险，他们终于找到了出血点，及时将他救了出来。我是病人的生命。然而，能进入人体的微型机器人真的只是天方夜谭吗？答案显然值得怀疑。自从费曼提出“活体外科医生”的概念以来，科学家们就被这一理念所吸引和推动，投入到微型机器人的研究中，并取得了很多不错的成果。科学家们设想，未来机器真的可以进入人体，实现靶向治疗，靶向给药，帮助治疗肿瘤等重大疾病。一、“史莱姆”机器人前段时间，一款名为“史莱姆”的磁控史莱姆微型机器人在新科学家上火了一把。它由一种磁性粘液材料制成，可以进入人体并取出不小心吞下的小型设备。4月1日一经发布，立即在科技界引起巨大轰动。网友惊掉下巴，浏览点击率迅速突破十万、十万、一千万。能力更像是一个“怪物”，与我们想象中的“机器”和“人”大不相同，它们是由刚性硬件构成，具有类人的五官和身体。根据演示，它看起来像一团黑色的面团，没有头，没有脸，没有手脚，身体柔软，形状千变万化。但尽管外表不起眼，这款“史莱姆”机器人却拥有多种独特的功能。它可以改变柔软的身体，穿过狭窄的缝隙，修复断裂的电线，通过吞咽将人体消化道中的小虫取出。食品电子元件。即使被切成数段再重新组合起来，它也具有“自愈”的能力。“史莱姆”机器人打破了大多数人对“机器人”的传统印象。“体内微型机器人”以其炫酷的未来感和潜在的强大动力进入了大众的视野。“史莱姆”机器人的研发成员之一、香港中文大学张力教授表示，“自我修复”能力也是软体机器人领域的热门研究方向之一，主要体现在对不同环境的高度适应性。“史莱姆”机器人的厉害之处不仅在于它被切断后可以自愈，放在液体中也能保持完整的形状，即使在空气和固体环境中也能畅行无阻。..图说：香港中文大学机械与自动化工程学系教授张力事实上，近年来微型机器人的研究成果层出不穷，例如由微型电机驱动的飞行机器人是苍蝇/甲虫的大小。与它们不同的是，“史莱姆”机器人的独特之处在于，它在非牛顿液体材料中加入磁粉和磁性粒子，实现磁场控制，使其灵敏，甚至可以自由变形。“史莱姆”机器人所展现的“自愈”能力，也是依靠材料本身的特性，再加上外界的磁力引导，“身体”被切断后，会与聚合物相互作用彼此靠近重新融化。作为一个。需要注意的是，“史莱姆”机器人目前还不具备自主移动的能力。它的运动和膨胀是靠外部磁场控制内部的钕磁铁（可以理解为“强力小磁球”）。“‘史莱姆’机器人本身没有固定的形状，它是粘液状的，当施加磁场时，它会对磁场做出反应。你从左向右移动磁铁，它就会跟随磁铁从左向右移动。”对。。受磁力大小的影响，很容易产生形状的变化。比如有人不小心吞下了有害成分，就可以变成一只手，包裹起来抓取。”张莉向AI科技评论介绍。这也是张莉带领的先进纳米材料与微型机器人实验室（ANML）首次做出磁性粘液机器人。此前，ANML曾生产过多种不同类型的微纳机器人，包括通过3D技术打印的仿生昆虫机器人，都是基于磁场进行远程控制的，它能像象鼻一样卷起来，这还是第一次。”张莉说。更神奇的是，这项工作的第一作者、在职的孙萌萌只用了半年时间。ANML实验室博士后，加入ANML，开始研发，发表文章。图注：孙萌萌博士“这主要是因为孙萌萌在读博士的时候有一些想法。哈尔滨工业大学学生（师从谢辉教授）。来到这里之后，借助我们课题组积累的大量相关资料和磁控管操作经验，项目进行的非常顺利。”张莉介绍。考虑到人体内部环境的复杂性，张莉团队设想“史莱姆”机器人可能在消化道有一定的应用空间。主要有几个原因：一是空腔消化道比较大，“史莱姆”机器人的穿梭会比较顺畅；二是人体消化道已经有很多微生物菌群，在体内尝试机器人的风险比较低；如果理论上是安全的它只会在体内停留很短的时间，然后排出体外。当然，目前将“史莱姆”机器人作为体内治疗执行器的想法还处于构想阶段，需要进一步完善2.体内微型机器人的发展“史莱姆”机器人的表现令人欣喜，但回顾这种可以进入体内的微型机器人的发展史，不过短短几十年。70年代，为了提倡cla经过研究，美国情报机构试图设计一些能够执行战俘援助和电子拦截任务的微型机器人。计算和概念得到发展。直到21世纪，微型机器人才正式出现。以微机电、微执行器等多学科领域的发展为铺垫，微型机器人取得重要技术突破，逐渐成为国际研究热点。图说：与研究了半个多世纪的大型机器人相比，仿生微型机器人的研制才20多年，能够进入人体的“微型机器人”屈指可数”，国内外。阶段。微型机器人有不同的类别，其中微型医疗机器人被业界认为是最有前景的应用领域。日本科学技术政策研究所曾预测，“未来，微型机器人和机器人将用于医疗领域一半以上的医疗操作”。在国外，日本率先采用了“机器人外科医生”计划，正在研发能够穿越人体血管寻找并杀死癌细胞的超微型机器人。美国马里兰州约翰霍普金斯实验室研制出一种微型检测装置，装有微型硅温度计和微型电路，吞入体内，可以将体内的温度信息传送到记录仪。瑞典科学家发明了一个英文标点符号大小的机器人。未来它可以移动单个细胞或捕获细菌，然后在人体内进行各种操作。国内研究人员也较早关注了这一前沿方向，如苏州大学孙立宁教授、沉阳自动化研究所刘连清教授等。在“活体机器人”领域，香港中文大学教授张力、深圳先进技术研究院研究员徐天天等青年学者也不甘落后，从材料与控制两大方向探索新机遇。总的来说，机器人在体内的实现有三大要素：一是“微型”体形的实现；二是适合体内环境的安全材料。以“史莱姆”机器人为例，它最大的突破就是材料。它使用具有非牛顿流体特性的聚乙烯醇和硼砂材料，外加一层二氧化硅。其黏度随与外界的接触而变化，对环境的适应性强。它可用于气态、液态和固态环境。两者都可以扩展和抓取以进行多模式操作。图片说明：将非牛顿液体倒入池中，使其浮在水面上。然而，硼砂的毒性和安全性一直没有得到保证。目前该领域的研究重点之一是寻找更适合构建微型医疗机器人的材料。材料应具有柔韧、亲肤、无毒无害、易于排出体外、易于操作等特点。对于创新与安全，张莉教授的看法是：“有时候科学家和医生的想法是不一样的。医生往往保守，把安全放在第一位，而科学家则更强调创新。两者之间存在一定的矛盾。”但在医疗场景中，毫无疑问，安全是第一位的。除了材料，微型机器人在体内的路径控制是实现“外科医生”需要解决的另一个难题。近年来，体内微型机器人的研究重点经历了从开环控制到闭环控制、从单一运动模态到多运动模态、从单机器人到多机器人三个阶段的变化。微型机器人集群的操控在体内医疗场景中具有实际应用价值，也是机器人领域的主要研究趋势。与单个机器人相比，集群微型机器人有两个优势：一是降低故障率。例如，对于药物装载，可以增加群体机器人的药物装载剂量。此外，在血液等环境中，单个微型机器人很容易被血液冲走或被巨噬细胞吞噬。这时，改用集群机器人可以提高治疗的成功率；第二，集群易于观察。现在的机器人可以做到纳米级，但是当它们被放入体内后，用现有的医学影像设备想要清晰地观察单个机器人是极其困难的。就像潜水一样，我们往往会忽略眼前游来游去的一条小鱼，却常常被远处一群漆黑的鱼群吓到。3、路径控制：在体内“行驶”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（以下简称“深圳先进技术研究院”）研究员徐甜甜”），是科研界的一颗“新星”。许甜甜是自动化控制出身。先后在巴黎中央理工大学和巴黎第六大学获得硕士和博士学位。他在博士期间开始研究微型机器人。获得博士学位后。2014年加入香港中文大学张力教授团队，从事博士后研究工作。2016年正式加入深圳高等研究院集成研究所智能仿生中心，是目前深圳高等研究院唯一从事医疗微型机器人路径控制研究的科学家。图注：深圳先进技术研究院徐甜甜研究员在徐甜甜教授看来，微型机器人体内路径控制的研究大致可以分为三个方向：一是如何让微型机器人在体内运动身体？二是如何让他们按照既定的路径走？三是如何让它们适应体内复杂的环境？如果将微型机器人比作汽车，那么机器人在体内空中的运动就相当于在复杂繁忙的城市中控制汽车在空中行驶，难度极大，安全风险高因素。值得注意的是，微观世界中的许多物理定律与宏观世界中的物理定律不同。例如，1976年，诺贝尔物理学家E.M.Purcell提出了“扇贝定理”，即当扇贝快速打开壳，然后慢慢合上时，由于惯性，快速打开时扇贝会向前移动。形成一个接一个的“前进”。但是，在微观世界中，由于惯性力在粘性面前几乎可以忽略不计，所以扇贝的开合动作无法使其向前运动。人体的内环境也是一个缩影。如何让微型机器人在体内移动？徐甜甜与团队合作，从大自然中汲取灵感：一个是大肠杆菌，它被一条螺旋状的尾巴带动着向前，就像转动螺丝一样，一边转动一边前进；尾巴向前摆动。通过这两种方式，他们成功制造了螺旋机器人和类精子仿生机器人，并成功地让机器人在模仿身体的环境中运动。图片说明：微型机器人在液体中“呈螺旋状游动”。但是，仅在体内移动机器人是不够的。既要保证前进的路径安全，又不能在体内横行……因此，为了保证机器人在体内“精准”穿梭，绕过危险区域，确保安全，尤为重要研究微型机器人的路径控制。而如前所述，机器人在体内的运行是“空中行进”，这就需要机器人具备3D运动能力。2019年，徐甜甜团队提出了一种新的路径跟随控制算法，利用路径微分的方法，将给定的任意路径分成小段，让它在每个点找到离它最近的段来控制它的前进。方向。他们的算法成功实现了毫米级磁力驱动软体机器人的3D路径控制，相关工作获得IEEE国际智能机器人与系统会议（IROS）最佳应用论文奖：在路径控制上，徐天天团队还采用了磁力控制..磁控的主要优点是可以无线操作：如果机器人进入人体，人类研究人员或医生可以在体外进行操作。同时，磁控的响应时间短，功率密度高，重复精度也高。机器人可以多次成功到达病变部位，消除了成功率的随机性。图注：徐天天团队的多自由度磁控装置实现了单机器人的3D路径控制后，徐天天和他的团队又走向了多机器人协同控制的研究。徐天天向AI科技评论解释，基于磁控的微型机器人集群运行存在两大难点：一是同一磁场中的输入信号相同，会导致方向和速度相同多个微型机器人；微型机器人缺乏沟通，无法独立控制。为了解决这个问题，徐天天和他的团队研究了多年，终于在今年年初取得了成果——他们提出了一种无需通信的完全解耦的方法，利用外部统一信号来感知机器人，并解决如何为相同的信号生成不同的信号。首次实现了输出问题、4个磁软微型机器人的独立位置控制和3个磁软微型机器人的独立路径跟随控制。相关工作（《IndependentControlStrategyofMultipleMagneticFlexibleMillirobotsforPositionControlandPathFollowing》）发表在国际机器人学顶级期刊T-RO上。图例：毫米级机器人的独立位置控制：（a）两个机器人的位置控制；(c)三个机器人的位置控制；(e)四个机器人的位置控制；(b)、(d)和(f)是机器人对应的位置轨迹这项工作是多微型机器人协同控制的一大进步。不过徐甜甜也告诉AI科技评论，他们目前只实现了四台微型机器人的独立控制，未来会朝着更大的目标迈进。值得注意的是，在路径控制中引入人工智能算法也正在成为一种趋势。例如，徐天天等人采用了华南理工大学计算机学院院长陈俊龙在2016年提出的“广度学习”方法，从2020年开始自动计算和优化机器人在复杂环境中的控制率。环境，从而实现更好的控制。4.愿景与现实那么，微型机器人进入人体还要多久呢？毫无疑问，费曼的猜想非常前卫，“活体外科医生”的想法也非常引人入胜。前段时间，Nature也发表了一篇文章，讨论了微型机器人用于癌症治疗的前景。例如，抗癌药物通常采用鸟枪法，而传统的治疗方法是静脉注射凝血药物，但存在血栓风险。化学疗法在破坏肿瘤的同时，不可避免地会攻击健康细胞并引起一系列副作用。解决这一难题的一个令人垂涎的替代方案是将一个微型机器人注射到癌症患者体内，以进行靶向治疗和药物输送。想到有一天微型机器人可以进入人体治疗癌症，张莉有着极大的研究热情和动力。但与此同时，研究人员也清醒地意识到，微型机器人在体内落地还有很长的路要走。例如，迄今为止，国内外还没有研究人员真正将微型机器人植入体内。雷锋网的安全、道德、性价比、风控等等都是未来人们要解决的问题。科学家们正在努力推动体内机器人的研究和实施。张莉告诉AI科技评论，近年香港政府斥资4.7亿港元在香港科学园兴建医疗机器人创新科技中心（如下图），配备先进的医疗影像设备、磁力共振技术和X射线等，帮助科学家进行医疗机器人的创新和技术孵化。图片由张莉教授提供。“从科学研究的角度来看，我不认为‘史莱姆’机器人是一个里程碑式的创新。”张莉说，“我们希望实现的是赋予微型机器人智能。在微型机器人的集群和控制系统上取得突破，让设备更安全、更小、更智能，进而在更多领域找到应用。”医学。最终目的是造福人类。”或许，费曼在1950年代提出的“体内外科医生”的想法会在不久的将来实现，未来它可以应用于人体任何部位，如眼底、视网膜、胃肠等管道，膀胱或血管。让我们共同期待这一天的到来。参考链接：https://www.nature.com/articles/d41586-022-00859-0https://twitter.com/newscientist/status/1509599345255100417https://www.siat.ac.cn/yjdw2016/rcdt2016/201912/t20191206_5449581.htmlhttps://en.wikipedia.org/wiki/Microboticshttps://cuhk.edu.hk/chinese/features/zhang_li.htmlhttp://www.cuhklizhanggroup.com/http://people.ucas.edu.cn/~xutiantianhttps://m.xzbu.com/9/view-9606955.htm
