專訪Brad Nelson：那些個(gè)子 雖小卻功能強(qiáng)大的微型機(jī)器人

熊安迪

在討論機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的時(shí)候，人們總是下意識(shí)地就把“機(jī)器人”定義在了常規(guī)大小機(jī)器人的范圍內(nèi)。但實(shí)際上，在機(jī)器人界還存在著一個(gè)不能忽視的特別分支——微型機(jī)器人。它們的個(gè)子雖小，但功能可不弱，尤其在關(guān)系到每個(gè)人的醫(yī)療健康領(lǐng)域中有著巨大的發(fā)展空間。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Brad Nelson作為微型機(jī)器人方面的專家，出席了2018世界機(jī)器人大會(huì)并接受了本刊的專訪，為微型機(jī)器人的技術(shù)和應(yīng)用前景做出了解讀。

“機(jī)器人是一個(gè)涉及多維度專業(yè)的科技領(lǐng)域，微型機(jī)器人更是如此。它不僅需要機(jī)器人學(xué)的知識(shí)，還需要工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等方面的相關(guān)知識(shí)?！盉rad Nelson道出了微型機(jī)器人所涉及專業(yè)的多元性。

瑞士蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院作為一所擁有160多年歷史的科技院校，已經(jīng)培養(yǎng)了很多杰出的科學(xué)家，也為Brad Nelson的研發(fā)團(tuán)隊(duì)提供了強(qiáng)大的支撐。Brad Nelson的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所做的事情包括力傳感和力學(xué)生物學(xué)在微型技術(shù)中的運(yùn)行機(jī)制。人們知道機(jī)器人需要與現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生交互，但微型技術(shù)中的交互卻很少為人所理解。Brad Nelson表示：“我們所做的就是嘗試去更好地理解這種交互，并對(duì)此進(jìn)行建模和描述。”

他還指出，在微型機(jī)器人中，磁力學(xué)是很重要的一點(diǎn)，包括如何使用磁力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此外，材料與制造也是制造這類機(jī)器人的關(guān)鍵。大型機(jī)器人上能夠裝配發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器等多種裝置，但微型機(jī)器人體積非常小，必須從根本上思考所使用的材料及其之間的相互作用。

微型機(jī)器人改變醫(yī)療方式

微型機(jī)器人的應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域中最為先進(jìn)。在過去10年中，醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展是非常成功的。

“現(xiàn)在全球不少醫(yī)院已經(jīng)在使用機(jī)械臂，有超過300萬(wàn)個(gè)手術(shù)是通過達(dá)芬奇機(jī)械臂完成的?！盉rad Nelson告訴記者，他在網(wǎng)上看到過不少以機(jī)器人和機(jī)器人技術(shù)為賣點(diǎn)的醫(yī)院廣告?！霸谖鞣?，通過機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)已經(jīng)比較常見，并且正在進(jìn)一步普及?！笨梢哉f，醫(yī)療是一個(gè)前景廣闊的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。

而這種普及不僅限于機(jī)器設(shè)備。約翰·霍普金斯大學(xué)的Russ Taylor教授是醫(yī)療機(jī)器人非常重要的奠基人之一。他曾經(jīng)說過，“人類臨床醫(yī)生和基于計(jì)算機(jī)技術(shù)之間的協(xié)作將從根本上改變21世紀(jì)手術(shù)和介入醫(yī)學(xué)的操作方式，正如計(jì)算機(jī)技術(shù)改變20世紀(jì)的制造業(yè)一樣”。Brad Nelson對(duì)這句話也深表同意。他說：“機(jī)器人和計(jì)算機(jī)將改變醫(yī)學(xué)的方式。機(jī)器人除了對(duì)人們進(jìn)行手術(shù)之外，還能夠采集醫(yī)療信息，跟蹤診斷結(jié)果，改進(jìn)治療方法等?！?/p>

醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)取得了不少成就。商用的外科機(jī)器人主要涉及骨科、神經(jīng)科、心臟病科、腸胃病科和腫瘤科。中國(guó)在開發(fā)醫(yī)療機(jī)器人方面也非?；钴S，已經(jīng)有了很多商用上的成功案例?！搬t(yī)療機(jī)器人技術(shù)往往具有很高的利潤(rùn)率，”Brad Nelson表示。

微型機(jī)器人個(gè)子雖小但功能強(qiáng)大

早在多年前，科幻作品就探討過微型機(jī)器人?？茖W(xué)界也從相關(guān)的科幻電影當(dāng)中獲得了許多靈感上的啟發(fā)。但科幻電影不用顧及物理學(xué)和現(xiàn)實(shí)世界，也不用擔(dān)心制造過程中的材料技術(shù)，可以進(jìn)行隨意的想象，而研發(fā)人員在做微型機(jī)器人時(shí)卻必須考慮這些問題。

微型機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)比較消耗金錢，需要很多對(duì)該領(lǐng)域的公共投資。因此，需要確保在研發(fā)微型機(jī)器人的過程中，這個(gè)領(lǐng)域具備未來發(fā)展的商用潛力。如Brad Nelson所言，在研發(fā)人員開始進(jìn)行微型機(jī)器人研發(fā)之前，需要思考自己的商業(yè)計(jì)劃，綜合考慮各項(xiàng)情況。

個(gè)頭小，是微型機(jī)器人最直觀的特點(diǎn)。但它們與常規(guī)大小機(jī)器人之間的差異遠(yuǎn)不止于此。說到這一問題，Brad Nelson主要談到了三點(diǎn)：

“在微型機(jī)器人的研發(fā)中，首先要考慮的就是如何使其移動(dòng)。如果將微型機(jī)器人放進(jìn)一個(gè)人的身體當(dāng)中，使用發(fā)動(dòng)機(jī)或者電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)是相當(dāng)困難的。我們能夠使用的一種方式就是磁力驅(qū)動(dòng)。在緩慢變化的磁場(chǎng)中，人們會(huì)非常安全和舒適。關(guān)于磁力有兩件事需要了解。一是隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)和減弱，可以在類似鐵的磁體上創(chuàng)造磁力，使它們沿著一定的軌跡移動(dòng)。二是可以通過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來轉(zhuǎn)動(dòng)磁體，如同指南針中的指針，通過在小磁體上產(chǎn)生力和扭矩，使它們?cè)谌梭w中移動(dòng)。微型機(jī)器人是在磁場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行操作，這是與常規(guī)大小的機(jī)器人的區(qū)別之一。

“第二點(diǎn)差別是它在制造過程中所使用的都是如同計(jì)算機(jī)芯片一樣體積非常小的部件，主要是半導(dǎo)體材料。

“第三點(diǎn)差別是它可以應(yīng)用于生物成像技術(shù)，使人們清晰地看見一些肉眼難見的情況。”

他興奮地表示：“我們的研發(fā)首次展示出，可以采用毫米級(jí)的小型磁性設(shè)備并在3D空間中非常精準(zhǔn)地移動(dòng)它們?！边@也是微型機(jī)器人技術(shù)首次到達(dá)這種級(jí)別的精確度。

微型機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛

醫(yī)療領(lǐng)域中的機(jī)器人應(yīng)用不再僅限于常規(guī)型的機(jī)械臂。微型機(jī)器人也可以在這里大展拳腳。Brad Nelson介紹了其中幾項(xiàng)已經(jīng)取得了進(jìn)展的應(yīng)用方向：

“首先，微型機(jī)器人可以應(yīng)用到眼科手術(shù)中。視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，在眼部進(jìn)行微型手術(shù)是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。因此我們考慮用微型機(jī)器人治療眼部疾病。其中一種疾病叫做眼部黃斑變性疾病。在發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家，該疾病是失明的主要原因，而且?guī)缀?0%的人口都會(huì)患此病。但幸運(yùn)的是，大約10到15年前開發(fā)出了一種治療方法，將藥物注射到眼睛中，能夠控制這種疾病的發(fā)展并且保持視力。很多人能夠從中受益，也有這樣的潛在需求。這也成為了我們?cè)谘鄄考膊≈委熤惺褂梦⑿蜋C(jī)器人的動(dòng)機(jī)。微型機(jī)器人可以被注射進(jìn)入眼睛，在眼部游動(dòng)到視網(wǎng)膜，然后直達(dá)變性的源位置，并非常精確地釋放藥物。這種方法有很多優(yōu)點(diǎn)，因此這幾年我們不斷研發(fā)磁力操縱系統(tǒng)，也在小型動(dòng)物身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。我們開發(fā)了尺寸約為1/3毫米大小的微型機(jī)器人，將它放入細(xì)小的針頭中，能夠不帶異物感地注射到眼睛中，并且可以進(jìn)行發(fā)絲級(jí)別的精細(xì)移動(dòng)。

“它也可以應(yīng)用在心臟疾病的治療上。微型機(jī)器人無法被注射到心臟中，讓它在心臟中游動(dòng)，因?yàn)樾呐K部位有太多的血流和物理阻礙。我們可以做的是采用導(dǎo)管，然后將導(dǎo)管的尖端磁化，使這個(gè)尖端成為類似微型機(jī)器人的存在，從而利用技術(shù)使導(dǎo)管在心臟中移動(dòng)。在心臟疾病方面，我們正在做的是治療心律不齊。我們已經(jīng)做了一些臨床實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)管可以直接導(dǎo)入心臟里面，甚至可以觸碰各個(gè)地方以判斷這種心臟信號(hào)的產(chǎn)生是否正常，并且使心臟恢復(fù)正常的跳動(dòng)節(jié)奏。外科醫(yī)生無需在患者旁邊就可以遠(yuǎn)程操控機(jī)器為其進(jìn)行手術(shù)，這也是未來醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展方向。

“類似的還有微型磁力驅(qū)動(dòng)內(nèi)窺鏡，可以用來檢查腸胃?！?/p>

Brad Nelson團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠研發(fā)出這樣的技術(shù)以及能夠使物體發(fā)生移動(dòng)的方式，但他們所希望做的不僅限于此，他們希望微型機(jī)器人還能夠執(zhí)行其他的任務(wù)。他們進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了微型機(jī)器人還能夠應(yīng)用于基因轉(zhuǎn)染?！霸谂囵B(yǎng)皿中，特定的目標(biāo)細(xì)胞被口腔細(xì)胞樣本包圍著，左邊還有腎臟細(xì)胞的樣本。微型機(jī)器人可以被驅(qū)動(dòng)，穿梭在這些細(xì)胞中并觸摸單獨(dú)的細(xì)胞。我們發(fā)現(xiàn)，可以將DNA附加到這些機(jī)器人身上，當(dāng)觸碰到每個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞時(shí)，DNA會(huì)被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中。我們可以選擇我們需要的細(xì)胞，并通過微型機(jī)器人將我們所需要的基因直接傳遞給該特定細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)染?！?/p>

Brad Nelson表示，研發(fā)人員通過微生物也能夠獲得一些微型機(jī)器人的靈感。

很多微生物，比如布氏錐蟲這種寄生蟲，它們很柔軟，能夠改變自己的形狀。它們能變成長(zhǎng)條的形狀以便游動(dòng)，在無需游動(dòng)的時(shí)候又保持短粗的形狀。根據(jù)它，可以想象一種可以在某種情況下游動(dòng)的裝置，然后可以觸發(fā)它使它停止游動(dòng)，并將藥物在特定的位置釋放出來。理想的微型機(jī)器人也都是柔軟、靈活的，能夠根據(jù)環(huán)境做出不同反應(yīng)，改變自己的外觀。溫度、光照以及對(duì)諸如細(xì)菌的席位感應(yīng)等條件都會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生影響。

“我們已經(jīng)能夠證明，現(xiàn)在使用一些內(nèi)部含有磁珠的特定智能聚合物，并照亮這些聚合物，微型機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉，移動(dòng)和游動(dòng)，以及調(diào)整至一個(gè)不會(huì)隨意移動(dòng)的穩(wěn)定形態(tài)?！盉rad Nelson由此道出了材料選擇在微型機(jī)器人的研發(fā)制造非常關(guān)鍵的重要性。“微型機(jī)器人所使用的材料需要經(jīng)過嚴(yán)格的選擇。磁性材料和聚合物材料都需要具有生物適應(yīng)性，不會(huì)產(chǎn)生有害的副作用。”

微型機(jī)器人的未來發(fā)展方向

當(dāng)前微型機(jī)器人研發(fā)的重點(diǎn)是將從它們應(yīng)用到生物體上，并理解它們和環(huán)境的互動(dòng)方式。

現(xiàn)在微型機(jī)器人還沒有真正應(yīng)用在人體內(nèi)。但Brad Nelson認(rèn)為，在未來5到10年中這種技術(shù)一定會(huì)在人體內(nèi)得以應(yīng)用，輔助進(jìn)行藥物治療或者是疾病治療，尤其是在腦疾病治療和心臟動(dòng)脈治療等方面。

微型機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的研發(fā)也正在進(jìn)行激烈的競(jìng)爭(zhēng)，比一比誰(shuí)能第一個(gè)用微型機(jī)器人成功地治療人類。“機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用只是時(shí)間問題和對(duì)傳統(tǒng)觀念的突破問題，”Brad Nelson表示。

微型機(jī)器人在醫(yī)療中的應(yīng)用是為醫(yī)生服務(wù)的，很多醫(yī)生都在尋找相關(guān)的臨床應(yīng)用。但實(shí)際手術(shù)中的操作是非常復(fù)雜的，很多時(shí)候，研發(fā)者對(duì)實(shí)際的手術(shù)任務(wù)總是想得太簡(jiǎn)單了。工程師和醫(yī)生思考問題的方式也有所差別。Brad Nelson告訴記者，對(duì)醫(yī)生而言，機(jī)器人材料的安全和生物兼容性以及機(jī)器人本身是否會(huì)傷害到病人是他們最大的擔(dān)心。因此，研發(fā)人員需要加強(qiáng)和醫(yī)生的溝通，以保證能夠?qū)κ中g(shù)有更好的了解。對(duì)研發(fā)者而言，真正了解手術(shù)如何進(jìn)行，手術(shù)室如何運(yùn)行，以及能否將微型機(jī)器人系統(tǒng)整合到手術(shù)之中是非常重要的問題。從實(shí)驗(yàn)室走向真正的落地應(yīng)用的過程必須循序漸進(jìn)，并且需要大量的時(shí)間進(jìn)行試用。

在微型機(jī)器人上對(duì)聚合物和柔性材料的使用，其重要性如同它們對(duì)于柔性機(jī)器人一樣。3D納米打印的出現(xiàn)也為這個(gè)領(lǐng)域帶來了變化，使制造的結(jié)構(gòu)規(guī)模達(dá)到了從未預(yù)想到的規(guī)模級(jí)別。

Brad Nelson還特別指出了微型機(jī)器人在中國(guó)醫(yī)療中的發(fā)展?jié)摿Α！按罅康娜丝谝馕吨鴮?duì)醫(yī)療服務(wù)的大量需求。而機(jī)器人也許是進(jìn)行治療的方式之一。醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，而且利潤(rùn)空間很大。”

很多傳統(tǒng)醫(yī)療公司看到了這個(gè)領(lǐng)域的前景。但將想法變成現(xiàn)實(shí)還是需要很長(zhǎng)的時(shí)間。因?yàn)閷C(jī)器人注射到人體中確實(shí)涉及到很多非常復(fù)雜的問題。如果出現(xiàn)差錯(cuò)，并不像掃地機(jī)器人出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)那么容易進(jìn)行處理。

微型機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用必須通過所有醫(yī)療器械相關(guān)法規(guī)的審批，比如得到中國(guó)CFDA（國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局）認(rèn)證、美國(guó)FDA（食品藥品監(jiān)督管理局）認(rèn)證或者歐洲CE認(rèn)證。這需要花費(fèi)很多的時(shí)間和資金，并且需要有遠(yuǎn)見才能實(shí)現(xiàn)。

此外，微型機(jī)器人的商用也是一道難題。Brad Nelson表示：“它和傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人是不太一樣的。我們希望這種通過機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)的方式能夠在全世界進(jìn)行應(yīng)用，而不僅局限于一部分地區(qū)。因此，它的成本必須大幅度下降。對(duì)醫(yī)生的培訓(xùn)也是非常重要的，復(fù)雜的流程必須得到簡(jiǎn)化，從而使得醫(yī)生能夠更快速地學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，最終幫助更多的患者治療疾病?！?/p>