米兰·(milan)中国官方网站-费曼狂想曲：能够进入体内的「外科医生」

1959年，诺贝尔物理学奖患上主办查德·费曼（Richard Feynman）于加州理工学院作了一场题为“There is Plenty of Room at the Bottom”（底层研究仍有广漠六合）的演讲，起首假想了体内微型呆板人的可能性。

于费曼的料想中，这种微型呆板人依赖微电机体系（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）驱动，可以或许进入体内实行手术。其时，费曼说：「假如咱们可以或许吞下一个外科大夫，那末许多繁杂的手术均可以变患上颇有趣、很简朴。」

也许是费曼的影响力太年夜，十年后，科研界还有未开展研究，美国导演 Richard Fleischer 就将费曼的假想拍成为了经典的科幻影戏，《神奇路程》（Fantastic Voyage）。影戏中，5名大夫被缩小成原体积的几百万分之一，被打针进一名脑血管受到粉碎、人命攸关的患者体内，颠末一系列冒险，终极乐成找到出血点，和时拯救了病人的生命。

但，可以或许进入人体的微型呆板人，只能是一个空想吗？谜底显然存疑。

自费曼提出「体表里科大夫」的观点以来，科学家们便被这一设法所吸引、激励，投入到微型呆板人的研究中，并取患了很多不错的结果。科学家们畅想着，于将来，呆板真的可以进入人的体内，实现靶向医治、靶向给药，帮忙医治肿瘤等庞大疾病。

一、「史莱姆」呆板人

前段时间，一个叫做「史莱姆」（Slime）的磁控黏液微型呆板人于 New Scientist 上火了。

它是由磁性黏液质料建造而成，可以进入体内，掏出不测吞噬的小器件。4月1日一发布，当即于科技社区引起巨年夜惊动，网友纷纷惊失下巴，阅读点击率迅速跨越十万、百万、万万：

与咱们常见的呆板人差别，这个呆板人不管是形状、动作与能力，都更像一个「怪物」，与咱们所想象的由刚体硬件打造、五官身躯酷似人类的「呆板」「人」有很年夜的收支。

按照 Demo 显示，它的形状像一坨黝黑的面团，没头没脸、没手没脚，身躯柔软，形状变化多样。

但虽然其貌不扬，这个「史莱姆」呆板人却具有多种奇异的功效，可以变化本身柔软的身躯，于穿越窄缝、修补断开的电线，还有可以于人体的消化道内以吞噬的方式掏出误食的电子零器件。

纵然将它切成几段，再从头拼接，它也有「自愈合」的能力。

「史莱姆」呆板人打破了年夜大都人对于「呆板人」的传统印象，也依附其酷炫的将来感与潜于的强盛气力，让「体内微型呆板人」进入公共的视线。

「史莱姆」呆板人的研发成员之1、中国香港中文年夜学张立传授先容，「自愈」能力也是当前软体呆板人范畴的热点研究标的目的之一，重要表现为对于差别情况的高顺应性。而「史莱姆」呆板人的强盛的地方，不仅于在将它堵截后、它可以自愈合，还有于在将它放到液体中也能连结完备外形，甚至于空气、固体情况中也能穿行无阻。

图注：中国香港中文年夜学机械与主动化工程学系传授张立

事实上，最近几年来微型呆板人的研究结果层见叠出，如由微机电驱动的、巨细如飞蝇/甲壳虫的飞行呆板人。而与它们差别，「史莱姆」呆板人的怪异的地方是于非牛顿液体质料中插手磁性粉末与磁性颗粒，从而实现磁场节制，使其步履敏捷、甚至可以自由变形。

而「史莱姆」呆板人所出现出来的「自愈」能力，也是依托质料自己的特征，加之外界的磁性指导，于「身体」堵截后由相距较近的高聚物彼此作用，从头融为一体。

需要留意的是，「史莱姆」呆板人今朝没有自立挪动的本事，它的挪动伸缩靠的是外部磁场节制内里的钕磁铁（可以理解为「强力小磁球」）。

「『史莱姆』呆板人自己没有固定的外形。它是黏液状的，加了磁场后，它会对于磁场作出相应。你将磁铁由左往右挪动，它就会跟着磁铁从左往右。受磁力的巨细，它很轻易孕育发生外形的变化。例如，假如有人失慎误吞有害元件，把它酿成一只手、包裹抓取。」张立向AI科技评论先容。

这也是张立所带领的进步前辈纳米质料与微型呆板人试验室（Advanced Nanomaterials Microrobotics Laboratory，ANML）第一次建造磁性黏液呆板人。此前，ANML曾经建造过很多差别类型的微型纳米呆板人，包括3D技能打印的仿生虫豸呆板人，均是基在磁场举行长途操控，「但像『史莱姆』呆板人如许的黏液状、有云云年夜变形的，可以像年夜象的鼻子同样卷起来的，还有是第一次。」张立谈道。

更使人赞叹的是，该事情的第一作者、ANML试验室于职博士后孙猛猛从插手ANML、最先研发到发表文章，仅用了半年时间。

图注：孙猛猛博士

「这重要是由于孙猛猛原先于哈尔滨工业年夜学读博（师从谢晖传授）时就已经经有一些设法。过来后，借助咱们课题组于相干质料与磁控操作上所堆集的年夜量经验，项目进展患上很顺遂。」张立先容。

思量到人体内部情况的繁杂度，张立团队假想，「史莱姆」呆板人也许能于消化道有必然的运用空间，缘故原由重要有几点：一是消化道的空腔较年夜，「史莱姆」呆板人于内里的穿梭会比力顺畅；二是人体的消化道本就有很多微生物菌群，测验考试体内呆板人的危害相对于低；三是「史莱姆」呆板人的建造质料颠末细胞毒性测试，毒性较低，若只于体内短暂逗留、后排出体外，理论上是安全的。

固然，今朝将「史莱姆」呆板人作为体内治疗履行器的设法仍处在一个假想阶段，有待进一步摸索。

二、体内微型呆板人的成长

「史莱姆」呆板人的体现可喜，但回溯这类可以或许进入体内的微型呆板人的成长汗青，不外短短数十载。

上世纪七十年月，美国谍报机构为推进秘要研究，试图设计一些可以或许履行战俘赞助及电子阻挡使命的微型呆板人，但因为其时底层撑持技能未彻底开发出来，微型呆板人原型并无从这套初期的计较及观点开发出来。

直到21世纪，微型呆板人材正式面世。跟着微电机、微驱动器等多学科范畴的成长作为铺垫，微型呆板人取患上主要技能冲破并逐渐成为国际研究热门。

图注：仿生微型呆板人

相对于在研究了泰半个世纪的年夜型呆板人来讲，微型呆板人的成长不外二十余年，「可以或许进入体内的微型呆板人」更是寥寥可数，海内外均处在方才起步的阶段。

微型呆板人有差别种别，此中，微型医疗呆板人被业界认为最有成长出路的运用范畴。日本科技政策研究院曾经猜测「将来医疗范畴利用微型呆板人及呆板人的手术将跨越全数医疗手术的一半」。

于外洋，日本率先采用「呆板人外科大夫」的规划，并正于开发能于人体血管中穿行、用在发明并杀死癌细胞的超微型呆板人。美国马里兰州的约翰·霍普金试验室研制出一种装有微型硅温度计及微型电路的微型检测装配，吞入体内，可以将体内的温度信息发给记载器。瑞典科学家发现了一种巨细如英文标点符号的呆板人，将来可挪动单一细胞或者捕获细菌，进而于人体内举行各类手术。

海内研究员也早早存眷到这一前沿标的目的，如姑苏年夜学的孙立宁传授、沈阳主动化研究所的刘连庆传授。于「体内呆板人」一块，青年学者如中国香港中文年夜学传授张立、深圳进步前辈院研究员徐天添，也不甘掉队，从质料与节制两年夜标的目的入手，摸索新的机缘。

总的来讲，体内呆板人的实现，有三大体素：一是「微」体形的实现；二是与体内情况相适配的安全质料；三则是呆板人于体内的「主动驾驶」技能。

就拿「史莱姆」呆板人来讲，其最年夜的冲破就是质料。它采用了具备非牛顿流体特性的聚乙烯醇与硼砂质料、外加一层二氧化硅，其粘稠度跟着与外界的接触孕育发生变化，对于情况具备高顺应性，于气态、液态与固态情况中都可延长爬行，可举行多模态把持。

图注：于池内倒入非牛顿液体可举行水上漂

不外，硼砂的毒性安全度仍未获得保障，该范畴今朝研究的一个重点就是找出更合适构建微型医疗呆板人的质料。质料要具有柔性化、亲肤化、无毒无害、易在解除体内、便在操作等特色。

对于在立异性与安全性，张立传授的见解是：「有时科学家跟大夫的设法不尽不异。大夫往往比力守旧，往往起首思量安全性，而科学家更多夸大立异性。这二者有必然抵牾。」但于医疗场景中，无庸置疑，安全一定是第一名。

除了质料之外，对于微型呆板人的体内路径节制又是实现「外科大夫」另外一亟待解决的难题。最近几年来，体内微型呆板人的研究重点履历了三个阶段的变化：从开环节制到闭环节制、从单一运动模态到多种运动模态、从单个呆板人到多个呆板人。对于微型呆板人集群的操控，于体内医疗场景中有现实的运用价值，也是今朝呆板人范畴的一年夜研究趋向。

与单一呆板人比拟，集群微呆板人有两年夜上风：

一是削减掉败率。比喻说，对于在载药来讲，集群呆板人的载药剂量可以提高。此外，于血液等情况中，单一的微小呆板人很轻易被血液冲走，或者被巨噬细胞吞噬，这时候若切换为集群呆板人，可以提高医治的乐成率；

二是集群便在不雅测。如今的呆板人可以做到纳米标准，但当它们放在于体内时，用现有的医疗影像装备清楚不雅测到单一呆板人的难度极高。就像潜水，咱们往往轻易轻忽从面前游过的一条小鱼，却经常被远处一群黑糊糊的鱼所震撼到。

三、路径节制：体内「开车」

于微型呆板人的路径节制方面，中国科学院深圳进步前辈技能研究院（简称「深圳进步前辈院」）的研究员徐天添是一枚科研「新星」。

徐天添是主动化节制配景身世，前后于于巴黎中心理工年夜学与巴黎第六年夜学得到硕士、博士学位，从博士时期最先研究微型呆板人。2014年博士卒业后，她插手中国香港中文年夜学张立传授团队担当博士后研究员。2016年，她正式加盟深圳进步前辈院集成所智能仿生中央，今朝是深圳进步前辈院独一一名研究医疗微型呆板人路径节制的科学家。

图注：深圳进步前辈院徐天添研究员

从徐天添传授的角度看，体内微型呆板人的路径节制研究约莫可以分为三个标的目的：一是怎样让微型呆板人于体内动起来？二是怎样让它们根据既定的路径运动？三是怎样让它们顺应体内的繁杂情况？

假如将微型呆板人比方成汽车，那末，呆板人于体内悬空运动，就相称在节制一辆汽车于繁杂闹市的空中行驶，难度极高，安全危害因素也极高。

需要留意的是，微不雅世界的很多物理定律与宏不雅世界纷歧样。例如，1976年，诺贝尔物理学家 E.M.Purcell 提出「扇贝定律」(scallop theorem），即扇贝于把贝壳迅速打开、再逐步关上时，因为惯性，扇贝迅速打开的时辰会往前一窜，形成一窜一窜地「运动前行」。然而，于微不雅世界里，因为惯性力于黏性眼前险些可以纰漏不计，扇贝的开合步履也没法使它前行。

人体的体内情况也是一个微不雅世界。怎样让微型呆板人于体内动起来？

徐天添与团队互助，从天然界中罗致灵感：一种是年夜肠杆菌，由螺旋形的尾巴驱动进步，就像拧一颗螺丝，一边转、一边进步；另外一种是精子柔性振动，经由过程拍打本身的尾巴，振动前行。于这两种方式下，他们乐成地制造出螺旋型呆板人与精子状的仿生气希望器人，乐成使呆板人于模拟体内的情况中动了起来。

图注：微型呆板人于液体中「螺旋泳」进步

可是，光让呆板人于体内动起来还有不敷。必需包管前行的路径是安全的，且不克不及于体内横冲直撞……

是以，为了包管呆板人于体内「精准」穿梭，绕过伤害区域，确保安全性，研究微型呆板人的路径节制显患上尤为主要。且如前所述，呆板人于体内的运行是「空中进步」，这就要求呆板人具有 3D 运动能力。

2019年，徐天添团队便提出了一种新型的路径追随节制算法，采用路径微分法，把给定的肆意路径微分成各个小段，让它于每个点找它近来的小段，来节制它的进步标的目的。他们的算法针对于毫米级的磁驱动软体呆板人乐成实现了 3D 路径节制，相干事情得到了IEEE智能呆板人与体系国际集会（IROS）最好运用论文奖：

于路径节制一块，徐天添团队采纳的也是磁控。磁控的重要上风于在可以无线操控：若呆板人进入体内，人类研究员或者大夫可以于体外实行操作。同时，磁控的相应时间短、功率密度高，可反复性也高，呆板人可以屡次乐成地达到病灶部位，消弭乐成率的随机性。

图注：徐天添团队的多自由度磁控装配

实现单一呆板人的3D路径节制后，徐天添与团队又向多呆板人的协同节制研究迈进。

徐天添向AI科技评论注释，基在磁控的微呆板人群操作有两浩劫点：一是统一个磁场里所输入的旌旗灯号是不异的，这会致使多个微型呆板人的进步标的目的与速率一致；二是微型呆板人之间缺少通信，没法自力节制。

为相识决这个问题，徐天添与团队研讨多年，终究于本年年头取患了结果——

他们提出一种彻底解耦的要领，无须通信，用外部的同一旌旗灯号来感知呆板人，解决怎样对于不异的旌旗灯号孕育发生差别的输出的问题，初次实现了4个磁性软体微型呆板人的自力位置节制及3个磁性软体微型呆板人的自力路径追随节制，相干事情（“Independent Control Strategy of Multiple Magnetic Flexible Millirobots for Position Control and Path Following”）发表于国际呆板人顶刊 T-RO 上。

图注：毫米级呆板人的自力位置节制：（a）两个呆板人位置节制；(c)三个呆板人位置节制；(e) 四个呆板人位置节制；(b)、(d) 及 (f) 为呆板人的对于应的位置轨迹

这个事情于多微型呆板人的协同节制上迈进了一年夜步。不外，徐天添也向AI科技评论暗示，今朝他们也只实现了4个微呆板人的自力节制，于将来，还有要朝着更年夜的方针进步。

值患上留意的是，于路径节制一块引入人工智能算法，也正于成为趋向。例如，徐天添等人便从2020年最先采用华南理工年夜学计较机学院院长陈俊龙于2016年提出的「宽度进修」要领，主动计较与优化对于呆板人于繁杂情况中的节制率，从而实现更好的节制。

四、假想与实际

那末，间隔微型呆板人进入体内还有有多久？

毫无疑难，费曼的料想很前卫，「体表里科大夫」的假想也使人十分神往。

前段时间，Nature也发文切磋了微型呆板人用在癌症医治的远景。好比，抗癌药物凡是采用散弹枪要领，传统医治要领于静脉打针凝血药，但碰面临血栓危害。而化学疗法于粉碎肿瘤的同时，不成防止地附带进犯康健细胞，激发一系列副作用。而针对于这个困境，求之不得的替换方案是将一个微型呆板人打针到患有癌症的人体内举行靶向医治及给药。

遥想微型呆板人于有朝一日可以或许进入体内举行癌症治疗，张立有着极年夜的研究热忱与动力。但同时，研究职员也苏醒地意想到：体内微型呆板人的落地还有有很长的路要走。好比，至今海内外都还有没有研究职员真正将微型呆板人于体内落地。雷峰网

安全、伦理、性价比、危害节制等等，均是人们于将来要解决的问题。

于鞭策体内呆板人的研究与落地上，科学家于努力。张立向AI科技评论暗示，最近几年来，中国香港当局投资了4.7亿港币于中国香港科学园设置装备摆设了一个医疗呆板人立异技能中央（以下图），配备了技能进步前辈的医疗影像装备、磁力共振技能与X光等等，帮忙科学家们举行医疗呆板人的立异与技能孵化。

图为张立传授提供

「从科学研究的角度上说，我不感觉『史莱姆』呆板人是具备里程碑意义的立异。」张立谈道，「咱们更但愿实现的是付与微呆板人智能性，于微呆板人的集群及节制体系上有所冲破，让器件更安全、更小型化、更智能化，然后找到它于医学上的运用出口，终极的目的，是要造福人类。」

或许，费曼于上世纪50年月提出的「体表里科大夫」的假想于不远的时日就会实现，将来它可以运用到人体任何部位，如眼底、视网膜、胃肠道、膀胱或者血管。雷峰网

让咱们一路期待这一天可以早点到来。雷峰网(公家号：雷峰网)

参考链接：

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

https://en.wikipedia.org/wiki/Microbotics

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

雷峰网原创文章，未经授权禁止转载。详情见转载须知。