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科学家如何开发出未来的机器人医生

发布时间: 2014-12-1 上午10:58

作者: 命悬一线

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让机器人医生钻进你的体内看病?这个异想天开的主意正逐步成为现实。用微型机器人实现药品传送、外科手术、智能植入、动态环境分析……未来指日可待。



如果没有后文的解释,那么下面这幅场景一定非常古怪:2006 年 10 月,在蒙特利尔的一个寒冷的深夜里,一些工科学生和他们的导师 Sylvain Martel 围坐在一间房间里,通过核磁共振机观察一只因为被麻醉的猪。肃静的气氛不时被喘息和掌声所打断。

一位医院技师用导管在猪的颈动脉注射了一颗钢珠,与圆珠笔笔尖的钢珠大小相仿。经过几分钟毫无动静的艰难等待之后,人们在电脑屏幕上观察到,钢珠开始跳动,而且跳跃轨迹与实验团队之前标绘出来的一模一样。

在活体生物的血管中无线操纵物体,这还是头一回;而对于微型自动机器领域来说,这可谓是新纪元的曙光——虽然规模要小得多,但这一成就依然不亚于登月成功。

全世界范围内的众多研究团队,目前正致力于相关概念验证的研究,意在取得更大的进步:在未来开发出微型机器人,在大到动脉、小到毛细血管的活体血管中都可以自由行动,而当前很多必须要通过开刀手术才能实现的医疗操作,也可以由微型机器人来完成。

已经问世的机器人医生

Martel 博士在科技杂志 IEEE Spectrum上发表的一篇论文中指出,现在已取得的进步可以用来治疗癌症;在治疗过程中,机器人可以被用来向肿瘤部位直接施放药物,从而只杀死癌变细胞,不影响到其他健康的细胞。

但要实现此项医疗应用的挑战也是复杂多样的。Martel 指出,解决这些挑战「需要诸多学科的通力协作」。血液是具有粘性的,而让这么小尺寸的机器人能够自由地在血液里流动,是物理学的难题;而微型机器人的动力供应和电脑成像,则是工程学的挑战。此外还有生物学的问题:由于机器人可能最终无法从人体中取出,所以制作机器人的材料,不仅需要对生命无毒害,而且最好还是人体能够自行降解的。

多伦多大学的机械工程学教授 Eric Diller 告诉我(本文作者:Elizabeth Armstrong Moore),当下科技尚不能制造出满足尺寸要求且还能正常工作的微型机器人。即使科技经过发展做到了这一部分,也没办法为机器人提供充足的动力,况且也还制造不出来足够小的机器元件。不过,研究人员取法自然:他们参照细菌,设计出了仿生微型机器人。

「细微生物所体验到的环境,与我们这些大体积生物感知到的全然不同,」Diller 博士指出:「如果是小生物在水里游泳,那么水面看上去就会很浓稠,所以小生物在水里游泳的方式就势必和我们不同。比如很多种类的细菌都是用鞭毛游泳的,而我们也看到,鱼类比细菌大得多,它们的游泳方式就不同于细菌。

在今年的早些时候,Diller 的团队公布了他们最新的研究进展:他们制造出了只有一毫米大小的机器人,并为之配备了两只机械臂,通过磁场力来驱动和控制。这样,多个机器人就可以搭成一座桥。Diller 指出,微型机器人并非只能应用于传送药品;它们甚至可以在人体的脉管系统和器官里修复生理组织。



有肌肉的机器人


伊利诺伊大学厄本那—香槟分校的本科生 Caroline Cvetkovic 正在做一项与上文相似的工程项目——让机器人用自己的肌肉行走。Cvetkovic 的团队先是用水凝胶制作微型机器人的脊柱,然后再利用骨骼肌细胞的电子脉冲,让机器人动起来。

「我们仿照许多哺乳动物身上的肌肉-筋腱-骨骼生理系统而为机器人设计了这一系统,」Cvetkovic 用电子邮件向我阐释原理:「该系统不仅合乎生理原则,还模仿生物使用能量的方式来发力和行动。以人体为例,当一块肌肉收缩时,力量会通过相连的肌腱传送到骨头上。而我们的仿生机器人,当肌肉细胞收缩(通过电刺激的方式)时,该动作会产生一种向内的力,经横向骨骼传送至纵向骨骼。由于机器人的骨骼是由柔韧的水凝胶制成的,因此在力量足够大的时候,骨骼可以弯曲变形。如果一根纵向骨骼(或者说是机器人的一条『腿』)比另一根纵向骨骼(腿)更长,那么前者比后者移动的幅度就更大,因而我们就可以观察到仿生机器人的定向移动(比如走路)。

Cvetkovic 预想:「未来将会制造出一批可用于医疗的生物机器人,具备药品传送、外科手术、智能植入、动态环境分析和其他数不清的应用功能。」

Robert Woods 是一位电气工程师,他建造了哈佛大学微型机器人实验室,同时也是《国家地理》杂志 2014 年新人探险家之一。他认为,机器人技术的未来方向,不仅仅仅是尺寸小,还要取法自然,增强柔韧性。

Woods 正致力于研究一种机器蜜蜂。这种一次性使用的机器蜜蜂成本低廉,用途包括农作物授粉、从事搜救行动,以及探测危险物品。Woods 指出:「如果你想制作出一种会飞的东西,在大自然里,现有的就有几十万种制作方法了。但我们不是大自然的搬运工。我们一直在努力理解生物的结构、活动和行为背后的来龙去脉,并且将之转译为工程学的语言。」

就在上周,欧洲和以色列的一个科学家团队宣称,他们通过模仿扇贝,在解决微型机器人自主行动的问题上又迈进了一步。他们的研究成果发布在期刊 Nature Communications 上。研究成果表明,该团队用生物工程技术制作出的扇贝只有零点几毫米大,可以在人的眼球里游动。在该研究成果中,真正的进步,在于机器人确实能够自行游动。和目前很多机器人模型一样,扇贝机器人以外在的磁场力为动力;但和现在已经制造出的微型机器人不同的是,扇贝机器人是通过向内部输入能量来实现运动,而非从外部拖拽着前行。

将时间回溯到 1959 年,诺贝尔物理学奖得主 Richard Feynman 做了一场著名的演讲。在演讲中,他描述了他的一位朋友的「异想天开」,即「如果你能把医生吞下去,让医生在体内动手术的话,那一定非常有意思。」Feynman 给设立在加州理工学院的美国物理学会提了一个问题:「怎样可以制造出那么小的机械?这个问题归你们了。」
在数十年后的今天,来自不同学科领域的研究者们仍然在努力解决该问题,但是曾经的幻想在今天看来不再是异想天开了。机器医生可以通过注射而非吞咽的方式进入人体,不过它的尺寸比 Feynman 自己描述的还要小,而且或许会比我们所能想象到的更灵巧。
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第 1 楼

回复主题:科学家如何开发出未来的机器人医生

发布时间: 2014-12-1 下午5:29

作者: 花开的那一瞬间

等级: 学有小成

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