未來醫(yī)療的神奇法寶：穿腸過肚微型機器人

在1966年的電影《神奇的旅程》中，美國一個實驗室的科學家將一艘名叫“變形蟲”的潛水艇和其人類成員壓縮到了微型大小，然后又將這個設(shè)備注入到了生病的科學家的身體內(nèi)。在身體內(nèi)，發(fā)動機推動“變形蟲”穿過血管進入了大腦，在那里，潛艇的成員穿上了潛水設(shè)備，并使用激光槍進行了精確的外科手術(shù)。 從我們21世紀的視角來看，《神奇的旅程》簡直是一部天真到可笑的電影;但是，在微觀尺度上進行手術(shù)的概念正在從科幻走向現(xiàn)實。多虧了微制造等各項技術(shù)的發(fā)展，研究人員正在將醫(yī)療設(shè)備越做越小，未來有望讓這些醫(yī)療設(shè)備小到能夠穿過人體。

在大概十年前左右，一個異想天開的設(shè)計出現(xiàn)了：利用公牛的精子、細菌或是海星狀的微型鉗(能夠在溫暖的地方讓旋臂繞軸旋轉(zhuǎn))驅(qū)動的微型機器人，能夠?qū)NA運送到細胞的旋轉(zhuǎn)磁性螺旋，可操控的填充有藥物的磁性球體，胃酸供能的微電機和能夠扇動著穿過眼鏡玻璃體的“微型扇貝”。

目前這些設(shè)想大多還是實驗室的概念和想象，但也有一些已經(jīng)開始在進行動物測試了。一些工程師也相信這些小東西終有一天會被應(yīng)用到醫(yī)藥行業(yè)之中。“我們最大的影響將會是在醫(yī)療保健行業(yè)。”微型機器人專家Metin Sitti說，他是德國Intelligent Systems的馬克斯·普朗克研究所物理智能部門的負責人。

研究人員說，通過使用正確的設(shè)計，一個微型機器人(或叫機器蟲)可以用來運送針對性很強的藥物或放射性塊、清除血液中的淤結(jié)、進行組織活檢或者建造一個新的細胞可以生長其上的支架。

這幾類活動能夠幫助擴展醫(yī)藥行業(yè)兩個現(xiàn)有的趨勢：早期疾病診斷和更精確的靶向治療。蘇黎世聯(lián)邦理工學院機器人和智能系統(tǒng)教授Bradley Nelson說：“夢想是實現(xiàn)《神奇的旅程》。”

要實現(xiàn)這個夢想，就意味著要克服一系列的工程學上的障礙。在微觀尺寸上，機器操作的幾乎每一個方面都需要重新思考，功能和運動方面的問題尤其棘手。而要在人體內(nèi)的工作又會帶來額外的限制：你需要追蹤物體所在的位置，還要確保這些物體是無毒無害的，而且還要設(shè)計成可無害降解或者在任務(wù)完成后能離開身體。

“我想應(yīng)該要不了幾年，這一領(lǐng)域就將能夠處理一些基本的問題。”Nelson說?，F(xiàn)在，他補充說，問題的焦點變成了技術(shù)人員能夠利用手中完成怎樣的工作。

醫(yī)學正在擁抱小型化，而現(xiàn)在一些技術(shù)也使得機器能在不需要外部控制的情況下穿過人體。比如說，一個電池驅(qū)動的藥丸大小的機器人可以在穿過食道、腸道和結(jié)腸時拍攝圖像。

而在2012年，美國食品和和藥物管理局為總部設(shè)立在加利福尼亞州紅木城的Proteus Digital Health公司打開了綠燈，使得其更小的可吞咽技術(shù)能夠向市場推廣，他們的產(chǎn)品可以講一個1平方毫米的硅電路嵌入到一個藥丸中。

“這是世界上最小的可消化的電腦，”Proteus的一位高級副總裁Markus Christen說。接著他指出其計算能力是很有限的。這個Proteus芯片既沒有攜帶天線也沒有攜帶電池。相反，其包含了兩個電極材料，當芯片周圍的藥丸降解時，電路將和胃中的胃液相接觸，從而實現(xiàn)兩個電極間的電導通。只需要5到10分鐘，芯片就將獲得足夠的能量(1毫瓦到10毫瓦之間)對電流進行調(diào)制，然后就能像貼在外部皮膚上的設(shè)備發(fā)送唯一的識別碼。

Proteus的芯片只是處在微型機器人行業(yè)的上游。這個芯片已經(jīng)綽綽有余的，Christen說，足夠幫助病人追蹤藥物的消耗，并且?guī)椭扑幑驹跍y試新藥時監(jiān)視臨床試驗中藥物是否遵循設(shè)計。

要將物體做到更小更強大將需要更有創(chuàng)造性的解決方案。其中做大的阻礙是功能問題。小型化對傳統(tǒng)的化學電池不利，馬克斯·普朗克研究所的Sitti說。當設(shè)備的尺寸低于1毫米時，“電池的容量將會急劇下降。”

一個可選項是使用無線電波來進行無線充電，這樣可以從體外給設(shè)備提供電力。但這種方法在尺寸變小后也變得很困難。為了收集能量，微型機器人需要某種形式的天線，而且天線還不能太小，否則也收集不到足夠的能量。另外，其還應(yīng)該和供能源保持足夠近的距離。

鑒于這些限制的存在，工程師們也在尋找新的能量收集方式，比如從推進活動中收集能量。比如采用化學火箭式的推進器，其能夠通過和人體內(nèi)的液體(如：胃酸)發(fā)生反應(yīng)進行推進。研究人員也在探索用生物混合結(jié)果能做出什么成績，如使用細菌來驅(qū)動機器甚至可以讓細菌跟蹤特定的信號運動，比如追蹤特定分子的濃度變化。

在某些情況下，甚至還可能做到?jīng)]有任何板上能量源。約翰霍普金斯大學David Gracias和其同事開發(fā)出了一種微鉗星型設(shè)備，這種設(shè)備兩端之間的尺寸小于500微米。其“鉗”可以用能對環(huán)境因素(如：溫度，PH值甚至酶)做出反應(yīng)的材料制成。對溫度敏感的鉗臂在暴露在身體熱源的情況下會關(guān)閉。如果放置恰當，其臂將緊密圍繞組織進行微型活體檢測。

這種鉗子可以為慢性炎癥性腸道疾病患者提供一種微創(chuàng)式的結(jié)腸癌檢查方式。Gracias說目前這樣的檢查需要服用數(shù)十個帶夾子的樣本，這樣才能獲得良好的統(tǒng)計覆蓋。相反，醫(yī)生可以通過管子注入成百上千個微型夾子到結(jié)腸之中，然后通過患者的糞便進行檢測。

根據(jù)在活豬身上的實驗，Gracias的團隊估計大約三分之一的微鉗捕獲到了組織。其它的并沒有取得成果，因為它們的運行走錯了方向或者還沒來得及接近任何東西。但他說這種方法能夠最大化減少成本，并且還利于制造，力量將會很強大。

“典型的想法是，你有一個設(shè)備，然后你能精確地引導其完成外科手術(shù)。”Gracias說，他的策略是借用了生物世界不完美的一頁，“如果你有一大堆完美的設(shè)備，你可能將能夠?qū)崿F(xiàn)和一個完美的設(shè)備一樣的功能。”

胃腸道是人體內(nèi)一個較為輕松的工作壞境。其空間相對較大，也比較容易從外部進入，而且其自動會將物質(zhì)送出體外。但是如果要探測眼睛、大腦和血管等更復(fù)雜的位置，也需要更為復(fù)雜的微機器人設(shè)計。

一個潛在的障礙是機器人可能會引發(fā)血栓。“你可以和外科醫(yī)生談一談，醫(yī)生感到最棘手的問題并且不想談?wù)摰膯栴}之一就是把固體的東西放到血管里面。”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校身體用軟電子器件先驅(qū)John Rogers說，“這會給任何自由流動的結(jié)構(gòu)帶來非常嚴重的后果。”

所以精確放置微型機器人是很關(guān)鍵的。因為即使是能夠追蹤PH值或溫度變化的強大的微型機器人可能也無法抵抗血管中強大的流量。“事實上，這些東西并不會在你的血管中游動很長距離。”蘇黎世聯(lián)邦理工學院的Nelson說。一個自動化的微機器人也許只能快速定向運動20微米左右，他說，所以要讓這些設(shè)備達到指定位置，很可能還需要外部指導。

Nelson的一個目標是視網(wǎng)膜。今天，用來治療視網(wǎng)膜的藥物已經(jīng)可以直接注射到眼睛里，藥物會在眼睛里慢慢擴散，最終只有很少一部分能到達其目標位置。而微機器人能帶著這些藥物到達指定位置，從而減少了由此產(chǎn)生的副作用。

外部引導機器人的一個明顯的方法是使用磁性材料制造這些機器人，然后在外部使用磁場對其進行控制。研究人員已經(jīng)使用核磁共振機在動物身上進行了實驗。但Nelson，Sitti和其他研究人員正在研究如何使用更微弱的電磁場實現(xiàn)更強大的控制。

事實證明，用磁場來移動微機器人是非常困難的。“我們?nèi)赃€在了解其中的數(shù)學和物理機制，”Nelson說。要以任何方式移動一個帶有機器臂的物體，你需要6個致動器來實現(xiàn)6個自由度：x，y，z軸方向上的移動，以及繞著各軸的旋轉(zhuǎn)。當他和他的同事終于找到能夠控制簡單的磁性微機器人的五個自由度的時候，他發(fā)現(xiàn)他至少需要8個獨立的外部磁場線圈。Nelson說，加上第六個自由度，那就需要微型機器人具有比簡單的磁棒更加復(fù)雜的磁場輪廓。

Nelson現(xiàn)在可以使用磁場強度小于10毫特斯拉的磁鐵來控制螺旋微機器人，這個磁場強度只有核磁共振機磁場的一小部分。“我們可以扭轉(zhuǎn)這種螺旋和讓它們做螺旋狀運動或者前進。”他說，這和大腸桿菌的鞭毛驅(qū)動方式有些類似。今年早些時候，他的團隊報告說他們已經(jīng)在實驗室中成功使用這些人工細菌鞭毛驅(qū)動的微型機器向人類細胞中運送遺傳物質(zhì)。

短期內(nèi)，Nelson將尋找一種較簡單的方式給醫(yī)生使用的磁控技術(shù)，可以幫助醫(yī)生引導導管穿過心血管系統(tǒng)。而在長期上，他將探索在沒有外部控制的情況下的各種可能。對于他和許多其他研究者來說，可能性還有很多。