Brad Nelson教授:那些個子雖小卻功能強大微型機器人
2018年08月17日15:46

  2018世界機器人大會擬於8月15日至19日在北京亦創國際會展中心舉行。大會以“共創智慧新動能 共享開放新時代”為主題,由“論壇”、“博覽會”、“大賽”、“地面無人系統展示活動”四大版塊構成。 本屆大賽彙聚了來自美國、俄羅斯、德國、日本、以色列等全球近20個國家和地區的1萬餘支賽隊和數百名頂尖專家,共計超過5萬多名參賽選手同台競技。

  在此次論壇中,瑞士蘇黎士聯邦理工學院教授Brad Nelson進行主題演講“人類身邊的小夥伴:那些個子雖小卻功能強大的微型機器人”。

  以下是演講全文:

  今天下午我們已經講了很久,今天我和大家談的是另外一個領域的機器人,叫做微型機器人,也會談到納米機器人、醫療機器人在我們實驗室當中取得的進展。

  我來自瑞士,一個歐洲中心的小國家,比中國小多了,但是一個非常美麗的國家,歡迎大家到我們的國家徒步。我的大學叫蘇黎士聯邦理工學院,一共有160多年的歷史。我們是一個科技學校,也有很著名的科學家,我覺得非常有吸引力的一件事情就是有很多的團隊成員,包括多尺度的機器人實驗室團隊。既有搞機器人的,也有生物醫學工程的,還有納米技術的、醫學的、化學的、物理學的專家,我們的團隊當中的人士是非常多元化的背景。實驗室做的事情有幾個領域:首先是力傳感和力學生物學,我們要瞭解機器人怎麼和世界、和環境產生互動,也要理解這種物理的互動。今天還會談到微型和納米機器人,包括怎樣使用磁力驅動,其實我是一個搞機械的,而不是一個材料科學家,但有一個很重要的領域,就是材料與製造,因為這些對機器人來說是很重要的。我們需要有感應器,這些感應器要放在機器人的身上,所以材料和製造也是很重要的。

  剛才說過,醫療機器人是一個成功的故事,我看到了因特網上的廣告。這是一個醫院的宣傳語,看到的是一個外科醫生,可以看到這個醫生正在利用機械臂進行外科手術。現在不少醫院已經開始使用機械臂了,比如這是達芬奇機械臂,這個領域醫療機器人的發展非常迅速,已經把機器人作為醫院的賣點了,我的母親和親戚在做手術的時候都接受過機器人的設備。泰勒沃森是約翰霍普金斯大學的教授,也是醫療機器人非常重要的奠基人,曾經說過人類臨床醫生和基於計算機技術之間的協作將從根本上改變二十一世紀手術和介入醫學的操作方式,正如計算機技術改變二十世紀的製造業一樣,我覺得說得非常有道理。這不僅僅是機器人的動物外科手術的行為,而且也可以在更廣泛的空間當中改進治療方案等等。中國在外科機器人商用方面做得非常成功,醫療機器人看起來利潤也是不錯的。

  更多地給大家介紹下微型機器人,早在多年前科幻作品就提到了這一點。1966年荷李活電影《神奇旅程》當中一艘潛艇只有紅血球那麼大,注入到了患者的身體裡面,工作就是拯救病人,建議大家看一看這個電影。我們從荷李活電影當中獲得了很多啟發,荷李活是有一些工程師沒有的優勢,因為他們不用擔心物理學的問題,可以隨意想像,也不用擔心製造這些產品,我們要想做微型機器人必須要考慮這些問題。因為這種機器人並不廉價,需要很多的公共投資,我們在微型機器人開發的里程上非常關注未來的商業潛力。我們經常會思考的是我們的商業計劃,多少人可以從中受益,也要考慮到這個領域的專利持有情況,最後製定一個可行的商業計劃。需要所有的一切因素都整合在一起,最後才能開發出微型機器人。

  要做微型機器人的話,怎麼讓它移動呢?比如把微型機器人放進一個人的身體當中是要用電池嗎?我們要做的一種方式就是磁力驅動,核磁共振的磁性驅動其實是一種非常有效的方法,這裏也是有兩種方法:如果有一個磁鐵就像鐵一樣,它的磁場的力是有大有小的,意味著移動的過程當中磁力的大小是不一樣的。如果對它進行轉動的話就會產生磁力矩,通過這種方式可以移動一些東西,這也是我們所做的原型,也是第一次將這種小的磁性設備,比如毫米級別的磁性物體以非常精準的方式移動。

  這個東西到底可以做什麼呢,身體當中可以用在哪裡呢?比如可以用在眼睛當中,因為在做眼科微型手術也是非常困難的。最開始我們看的是眼部紅斑變性疾病,失明率可以達到將近10%。當然,之前大多數對這種疾病的治療是在玻璃體內進行注射,我的奶奶之前就失明了,所以如果能夠有這樣的治療方式也許就能夠恢復光明,現在很多人也有這樣的潛在需求。這是給電視台做的微型視頻,可以把這種東西注射到眼部,然後進入視網膜該去的位置。這幾年我們不斷開發小型磁性控製裝置,可以應用在小型動物當中,甚至有些1/3毫米大小的東西可以非常準確地移動。目前我們已經在動物身上做了實驗,甚至在頭髮那麼細的級別進行準確的移動,也在活體動物上面做了實驗。

  除了眼部手術,還可以應用在其它領域,比如治療心臟疾病,心臟還是有很多事情可以做的。我們不可能把微型機器人注射到人體內,因為在體內有太多的血液流動,但可以做的是通過利用一些小的顯微鏡進行操控,例如治療心律不齊這樣的疾病,也就是可以對整個心臟的系統進行重新設置。現在我們已經做了一些臨床的實驗,可以看到這是一個心臟導管,輸入心臟以後可以將它直接導入心臟裡面,甚至可以觸碰各個地方來看這種心臟的信號是否是正常能夠產生的,這種技術現在也已經在臨床開始使用了,外科醫生坐在外面操控機器指導這個設備為病人做手術。這裏其實不用自己控製這個導管,遠程就可以控製,這也是未來醫療機器人的發展方向,外科醫生甚至不用在病人旁邊就可以操縱手術。

  看一看這種磁力的內窺鏡,這是和香港中文大學合作,也是一種非常小的磁力導航內窺鏡,可以檢查腸胃。現在這個項目仍然在進行的過程當中,我們已經和香港的外科醫生從2016年到2017年開始合作研究。很多和紅細胞大小的機器人可以發現疾病、治療疾病,看一看如何能夠控製它的動向,因為它非常的小,所以我們還要重新思考它們的使用情況。

  作為工程師,要想去突破的話,很多時候要去觀察自然。通過觀察細菌,可以發現它的遊動是非常有規律的。比如伊波拉病毒其實已經有幾百年的時間了,如果在顯微鏡下去看的話就可以看到它的遊動規律,就像一個小尾巴一樣。這是自然教會我們的東西,通過這種轉動前行的方式可以很靈活地移動,可以將這樣的移動方式應用到納米技術當中。

  這是人造細菌實驗,通過這種東西可以遊入各種液體當中,但可以攜帶一些東西。我們是在2012年做了這個實驗,也是一個非常小型的機器人,其實和人的頭髮粗細差不多。這些技術都是我們研究出來的,並且我們也要更好地研究它們的移動方式。當然,我們希望這些東西能夠完成一些任務,綠色的周圍是一些口腔細胞,可以看到還有一些小的細胞,右邊還有一些腎臟細胞,甚至可以在這些小型機器人身上附著一些DNA,然後把DNA轉到這些細胞當中。很多小型機器人甚至可以穿越皮膚,甚至把8萬多個小型細胞注入到大鼠當中,然後對它進行追蹤,注入活體當中進行移動,然後看一看會有什麼問題。

  這些微型機器人其實很難設計的,靈活度也較差。這裏顯示的是布氏錐蟲的生命週期,可以造成一些人類的疾病,甚至會進入大腦造成死亡。通過這些寄生蟲也能夠獲得一些靈感,可以瞭解它的遊動方式,把它應用到一些藥物和治療的方法當中。我們甚至也可以用它製作一些聚合物,這些聚合物能夠幫助小的微型機器人更好地移動,雖然還有很多選擇和探索的空間。我們需要選擇這種磁性的物質,所以在做微型機器人的時候物料選擇也要有更多的研究。

  現在微型機器人主要應用在大型手術中,未來甚至可以越變越小,可以用在導管裡面,也能夠達到細胞和組織的級別。現在我們也在和其它機構做這樣的研究,包括這些小型機器人生物適用性的問題,方向還是沒有問題的,我們也對未來的前景很興奮。

  未來的發展方向是怎樣的呢?這種微納米機器人現在我們已經把它應用在了更多的活體當中,需要理解這些微納米機器人和環境的互動方式,所以需要瞭解周圍的物理和化學環境。現在微納米機器人目前還沒有應用在人類的身體上面,但在未來五到十年當中這種技術一定會應用在人體當中,比如心臟和腸胃。之後我們也要拭目以待,看一看誰會最開始將這些技術應用在人體當中,什麼時候這些技術會真正應用在人體上面。

  當然還有很多基礎工作要做,這是個非常令人興奮的領域,包括這種傳感的技術、規劃的技術,目前還有很多問題需要解決。我們也和很多的醫生共同合作去做一些應用,包括手術室的這些手術到底該怎麼做,這些都是非常重要的問題,聚合物和機器人之間如何進行互動、3D納米技術也帶來了巨大的機會,使得我們可以在這個級別作出更多的事情。物料也是非常重要的,很多材料工程師每天在幫助我們選取最好的、適用於這個領域的材料。

  最後講一講醫療機器人這個領域會有什麼發展,目前在中國人們的醫療服務接受度明顯是不夠的,未來會有更多的醫療需求,現在醫療機器人也有很多成功的公司,人們現在也看到了這個領域的未來,包括強生這樣的大型公司都在進入這個領域,還有傳統醫療的公司也看到了這個領域的前景。當然,要想將想法變成現實還是需要很多的時間,所以要把機器人輸入到人體當中確實是一個非常複雜的過程,並不像機器人掃地那麼簡單。與此同時,這個機器人要想進行使用的話需要通過美國FDA和中國SFDA的審批。

  當然,這個領域失敗的例子也有很多,機器人在過去的幾十年當中的能力也是一直被我們低估的。我們知道實際手術當中的做法是非常複雜的,很多時候我們對實際任務的理解總是想得太簡單了,而且很多解決問題的時候方式也是有問題的。這些工程師很多時候想事情的方式和醫生還是不太一樣的,但現在我們和醫生的溝通也越來越多,保證能夠對這些手術有更好的瞭解。實驗室到真正的使用必須要一步一步地做,不能在手術室說有一個非常好的機器能夠在人身上使用,這是不可能的,從實驗室到人體的試用需要大量的時間,必須要一步一步去走,所以學術當中每一點進步都是非常重要的。商業模式也是非常困難的事情,和傳統製造服務機器人是不太一樣的。

  機器人手術當中,我們希望它能夠在全世界進行應用,不希望只是在一部分地區使用。全世界有80億人,現在至少有50億人用不上這種手術的資源,也就是說有50億人如果有疾病的話根本無法接受手術,這也是未來醫療機器人要解決的問題。這個領域有很多的事情可以做,但從醫療機器人的角度來說,它的成本必須大幅度下降,要把它做得更為便宜才可以,未來成本肯定是會降下來的。最後就是對外科醫生的培訓和遠程的系統操作也是非常重要的,比如一些心臟手術如果能夠遠程控製的話就更好了。

  總體而言,隨著這項技術走出實驗室,能夠進入真實的世界和手術當中,我們必須要降低它的成本,把流程做得更為簡單,速度也會更快,這些要求都是非常現實的。

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