1959年，諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在加州理工學(xué)院作了一場題為“There is Plenty of Room at the Bottom”（底層研究仍有廣闊天地）的演講，首先設(shè)想了體內(nèi)微型機(jī)器人的可能性。

在費(fèi)曼的猜想中，這類微型機(jī)器人依靠微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）驅(qū)動，能夠進(jìn)入體內(nèi)實(shí)施手術(shù)。當(dāng)時(shí)，費(fèi)曼說：「如果我們能夠吞下一個(gè)外科醫(yī)生，那么很多復(fù)雜的手術(shù)都可以變得很有趣、很簡單。」

或許是費(fèi)曼的影響力太大，十年后，科研界還未開展研究，美國導(dǎo)演 Richard Fleischer 就將費(fèi)曼的設(shè)想拍成了經(jīng)典的科幻電影，《神奇旅程》（Fantastic Voyage）。電影中，5名醫(yī)生被縮小成原體積的幾百萬分之一，被注射進(jìn)一位腦血管遭到破壞、性命攸關(guān)的患者體內(nèi)，經(jīng)過一系列冒險(xiǎn)，最終成功找到出血點(diǎn)，及時(shí)挽救了病人的生命。

但，能夠進(jìn)入人體的微型機(jī)器人，只能是一個(gè)幻想嗎？答案顯然存疑。

自費(fèi)曼提出「體內(nèi)外科醫(yī)生」的概念以來，科學(xué)家們便被這一想法所吸引、激勵，投入到微型機(jī)器人的研究中，并取得了許多不錯(cuò)的成果。科學(xué)家們暢想著，在未來，機(jī)器真的可以進(jìn)入人的體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)靶向治療、靶向給藥，幫助治療腫瘤等重大疾病。

1、「史萊姆」機(jī)器人

前段時(shí)間，一個(gè)叫做「史萊姆」（Slime）的磁控粘液微型機(jī)器人在 New Scientist 上火了。

它是由磁性粘液材料制作而成，可以進(jìn)入體內(nèi)，取出意外吞噬的小器件。4月1日一發(fā)布，立即在科技社區(qū)引起巨大轟動，網(wǎng)友紛紛驚掉下巴，瀏覽點(diǎn)擊率迅速超過十萬、百萬、千萬：

與我們常見的機(jī)器人不同，這個(gè)機(jī)器人無論是外形、動作與能力，都更像一個(gè)「怪物」，與我們所想象的由剛體硬件打造、五官身軀酷似人類的「機(jī)器」「人」有很大的出入。

根據(jù) Demo 顯示，它的外形像一坨烏黑的面團(tuán)，沒頭沒臉、沒手沒腳，身軀柔軟，外形變化多樣。

但雖然其貌不揚(yáng)，這個(gè)「史萊姆」機(jī)器人卻具備多種奇特的功能，可以變化自己柔軟的身軀，在穿越窄縫、修補(bǔ)斷開的電線，還可以在人體的消化道內(nèi)以吞噬的方式取出誤食的電子零器件。

即使將它切成幾段，再重新拼接，它也有「自愈合」的能力。

「史萊姆」機(jī)器人打破了大多數(shù)人對「機(jī)器人」的傳統(tǒng)印象，也憑借其酷炫的未來感與潛在的強(qiáng)大力量，讓「體內(nèi)微型機(jī)器人」進(jìn)入大眾的視野。

「史萊姆」機(jī)器人的研發(fā)成員之一、香港中文大學(xué)張立教授介紹，「自愈」能力也是當(dāng)前軟體機(jī)器人領(lǐng)域的熱門研究方向之一，主要體現(xiàn)為對不同環(huán)境的高適應(yīng)性。而「史萊姆」機(jī)器人的強(qiáng)大之處，不僅在于將它切斷后、它可以自愈合，還在于將它放到液體中也能保持完整形狀，甚至在空氣、固體環(huán)境中也能穿行無阻。

圖注：香港中文大學(xué)機(jī)械與自動化工程學(xué)系教授張立

事實(shí)上，近年來微型機(jī)器人的研究成果層出不窮，如由微電機(jī)驅(qū)動的、大小如飛蠅/甲殼蟲的飛行機(jī)器人。而與它們不同，「史萊姆」機(jī)器人的獨(dú)特之處是在非牛頓液體材料中加入磁性粉末與磁性顆粒，從而實(shí)現(xiàn)磁場控制，使其行動靈敏、甚至可以自由變形。

而「史萊姆」機(jī)器人所呈現(xiàn)出來的「自愈」能力，也是依托材料本身的特性，加上外界的磁性引導(dǎo)，在「身體」切斷后由相距較近的高聚物相互作用，重新融為一體。

需要注意的是，「史萊姆」機(jī)器人目前沒有自主移動的本領(lǐng)，它的移動伸縮靠的是外部磁場控制里面的釹磁鐵（可以理解為「強(qiáng)力小磁球」）。

「『史萊姆』機(jī)器人本身沒有固定的形狀。它是粘液狀的，加了磁場后，它會對磁場作出響應(yīng)。你將磁鐵由左往右移動，它就會隨著磁鐵從左往右。受磁力的大小，它很容易產(chǎn)生形狀的變化。例如，如果有人不慎誤吞有害元件，把它變成一只手、包裹抓取。」張立向AI科技評論介紹。

這也是張立所領(lǐng)導(dǎo)的先進(jìn)納米材料與微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（Advanced Nanomaterials & Microrobotics Laboratory，ANML）第一次制作磁性粘液機(jī)器人。此前，ANML曾制作過許多不同類型的微型納米機(jī)器人，包括3D技術(shù)打印的仿生昆蟲機(jī)器人，均是基于磁場進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，「但像『史萊姆』機(jī)器人這樣的粘液狀、有如此大變形的，可以像大象的鼻子一樣卷起來的，還是第一次。」張立談道。

更令人驚嘆的是，該工作的第一作者、ANML實(shí)驗(yàn)室在職博士后孫猛猛從加入ANML、開始研發(fā)到發(fā)表文章，僅用了半年時(shí)間。

圖注：孫猛猛博士

「這主要是因?yàn)閷O猛猛原先在哈爾濱工業(yè)大學(xué)讀博（師從謝暉教授）時(shí)就已經(jīng)有一些想法。過來后，借助我們課題組在相關(guān)材料與磁控操作上所積累的大量經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目進(jìn)展得很順利。」張立介紹。

考慮到人體內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜度，張立團(tuán)隊(duì)設(shè)想，「史萊姆」機(jī)器人或許能在消化道有一定的應(yīng)用空間，原因主要有幾點(diǎn)：一是消化道的空腔較大，「史萊姆」機(jī)器人在里面的穿梭會比較順暢；二是人體的消化道本就有許多微生物菌群，嘗試體內(nèi)機(jī)器人的風(fēng)險(xiǎn)相對低；三是「史萊姆」機(jī)器人的制作材料經(jīng)過細(xì)胞毒性測試，毒性較低，若只在體內(nèi)短暫停留、后排出體外，理論上是安全的。

當(dāng)然，目前將「史萊姆」機(jī)器人作為體內(nèi)醫(yī)治執(zhí)行器的想法仍處于一個(gè)設(shè)想階段，有待進(jìn)一步探索。

2、體內(nèi)微型機(jī)器人的發(fā)展

「史萊姆」機(jī)器人的表現(xiàn)可喜，但回溯這種能夠進(jìn)入體內(nèi)的微型機(jī)器人的發(fā)展歷史，不過短短數(shù)十載。

上世紀(jì)七十年代，美國情報(bào)機(jī)構(gòu)為推進(jìn)機(jī)密研究，試圖設(shè)計(jì)一些能夠執(zhí)行戰(zhàn)俘援助和電子攔截任務(wù)的微型機(jī)器人，但由于當(dāng)時(shí)底層支持技術(shù)未完全開發(fā)出來，微型機(jī)器人原型并沒有從這套早期的計(jì)算和概念開發(fā)出來。

直到21世紀(jì)，微型機(jī)器人才正式面世。隨著微機(jī)電、微驅(qū)動器等多學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展作為鋪墊，微型機(jī)器人取得重要技術(shù)突破并逐漸成為國際研究熱點(diǎn)。

圖注：仿生微型機(jī)器人

相對于研究了大半個(gè)世紀(jì)的大型機(jī)器人來說，微型機(jī)器人的發(fā)展不過二十余年，「能夠進(jìn)入體內(nèi)的微型機(jī)器人」更是屈指可數(shù)，國內(nèi)外均處于剛剛起步的階段。

微型機(jī)器人有不同類別，其中，微型醫(yī)療機(jī)器人被業(yè)界認(rèn)為最有發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng)域。日本科技政策研究院曾預(yù)測「未來醫(yī)療領(lǐng)域使用微型機(jī)器人和機(jī)器人的手術(shù)將超過全部醫(yī)療手術(shù)的一半」。

在國外，日本率先采用「機(jī)器人外科醫(yī)生」的計(jì)劃，并正在開發(fā)能在人體血管中穿行、用于發(fā)現(xiàn)并殺死癌細(xì)胞的超微型機(jī)器人。美國馬里蘭州的約翰·霍普金實(shí)驗(yàn)室研制出一種裝有微型硅溫度計(jì)和微型電路的微型檢測裝置，吞入體內(nèi)，可以將體內(nèi)的溫度信息發(fā)給記錄器。瑞典科學(xué)家發(fā)明了一種大小如英文標(biāo)點(diǎn)符號的機(jī)器人，未來可移動單一細(xì)胞或捕捉細(xì)菌，進(jìn)而在人體內(nèi)進(jìn)行各種手術(shù)。

國內(nèi)研究員也早早關(guān)注到這一前沿方向，如蘇州大學(xué)的孫立寧教授、沈陽自動化研究所的劉連慶教授。在「體內(nèi)機(jī)器人」一塊，青年學(xué)者如香港中文大學(xué)教授張立、深圳先進(jìn)院研究員徐天添，也不甘落后，從材料與控制兩大方向入手，探索新的機(jī)遇。

總的來說，體內(nèi)機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)，有三大要素：一是「微」體形的實(shí)現(xiàn)；二是與體內(nèi)環(huán)境相適配的安全材料；三則是機(jī)器人在體內(nèi)的「自動駕駛」技術(shù)。

就拿「史萊姆」機(jī)器人來說，其最大的突破就是材料。它采用了具有非牛頓流體特征的聚乙烯醇與硼砂材料、外加一層二氧化硅，其黏稠度隨著與外界的接觸產(chǎn)生變化，對環(huán)境具有高適應(yīng)性，在氣態(tài)、液態(tài)與固態(tài)環(huán)境中均可延伸爬行，可進(jìn)行多模態(tài)操縱。

圖注：在池內(nèi)倒入非牛頓液體可進(jìn)行水上漂

不過，硼砂的毒性安全度仍未得到保障，該領(lǐng)域目前研究的一個(gè)重點(diǎn)就是找出更適合構(gòu)建微型醫(yī)療機(jī)器人的材料。材料要具備柔性化、親膚化、無毒無害、易于排除體內(nèi)、便于操作等特點(diǎn)。

對于創(chuàng)新性與安全性，張立教授的看法是：「有時(shí)科學(xué)家跟醫(yī)生的想法不盡相同。醫(yī)生往往比較保守，往往首先考慮安全性，而科學(xué)家更多強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新性。這兩者有一定矛盾。」但在醫(yī)療場景中，毋庸置疑，安全必然是第一位。

除材料以外，對微型機(jī)器人的體內(nèi)路徑控制又是實(shí)現(xiàn)「外科醫(yī)生」另一亟待解決的難題。近年來，體內(nèi)微型機(jī)器人的研究重點(diǎn)經(jīng)歷了三個(gè)階段的變化：從開環(huán)控制到閉環(huán)控制、從單一運(yùn)動模態(tài)到多種運(yùn)動模態(tài)、從單個(gè)機(jī)器人到多個(gè)機(jī)器人。對微型機(jī)器人集群的操控，在體內(nèi)醫(yī)療場景中有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，也是目前機(jī)器人領(lǐng)域的一大研究趨勢。

與單一機(jī)器人相比，集群微機(jī)器人有兩大優(yōu)勢：

一是減少失敗率。比方說，對于載藥來說，集群機(jī)器人的載藥劑量可以提高。此外，在血液等環(huán)境中，單一的微小機(jī)器人很容易被血液沖走，或被巨噬細(xì)胞吞噬，這時(shí)若切換為集群機(jī)器人，可以提高治療的成功率；

二是集群便于觀測。如今的機(jī)器人可以做到納米尺度，但當(dāng)它們放于在體內(nèi)時(shí)，用現(xiàn)有的醫(yī)療影像設(shè)備清晰觀測到單一機(jī)器人的難度極高。就像潛水，我們往往容易忽視從眼前游過的一條小魚，卻常常被遠(yuǎn)處一群黑壓壓的魚所震撼到。

3、路徑控制：體內(nèi)「開車」

在微型機(jī)器人的路徑控制方面，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（簡稱「深圳先進(jìn)院」）的研究員徐天添是一枚科研「新星」。

徐天添是自動化控制背景出身，先后在在巴黎中央理工大學(xué)與巴黎第六大學(xué)獲得碩士、博士學(xué)位，從博士期間開始研究微型機(jī)器人。2014年博士畢業(yè)后，她加入香港中文大學(xué)張立教授團(tuán)隊(duì)擔(dān)任博士后研究員。2016年，她正式加盟深圳先進(jìn)院集成所智能仿生中心，目前是深圳先進(jìn)院唯一一位研究醫(yī)療微型機(jī)器人路徑控制的科學(xué)家。

圖注：深圳先進(jìn)院徐天添研究員

從徐天添教授的角度看，體內(nèi)微型機(jī)器人的路徑控制研究大約可以分為三個(gè)方向：一是如何讓微型機(jī)器人在體內(nèi)動起來？二是如何讓它們按照既定的路徑運(yùn)動？三是如何讓它們適應(yīng)體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境？

如果將微型機(jī)器人比喻成汽車，那么，機(jī)器人在體內(nèi)懸空運(yùn)動，就相當(dāng)于控制一輛汽車在復(fù)雜鬧市的空中行駛，難度極高，安全風(fēng)險(xiǎn)因素也極高。

需要注意的是，微觀世界的許多物理定律與宏觀世界不一樣。例如，1976年，諾貝爾物理學(xué)家 E.M.Purcell 提出「扇貝定律」(scallop theorem），即扇貝在把貝殼迅速打開、再慢慢關(guān)上時(shí)，由于慣性，扇貝迅速打開的時(shí)候會往前一竄，形成一竄一竄地「運(yùn)動前行」。然而，在微觀世界里，由于慣性力在黏性面前幾乎可以忽略不計(jì)，扇貝的開合行動也無法使它前行。

人體的體內(nèi)環(huán)境也是一個(gè)微觀世界。如何讓微型機(jī)器人在體內(nèi)動起來？

徐天添與團(tuán)隊(duì)合作，從自然界中汲取靈感：一種是大腸桿菌，由螺旋形的尾巴驅(qū)動前進(jìn)，就像擰一顆螺絲，一邊轉(zhuǎn)、一邊前進(jìn)；另一種是精子柔性振動，通過拍打自己的尾巴，振動前行。在這兩種方式下，他們成功地制造出螺旋型機(jī)器人與精子狀的仿生機(jī)器人，成功使機(jī)器人在模仿體內(nèi)的環(huán)境中動了起來。

圖注：微型機(jī)器人在液體中「螺旋泳」前進(jìn)

但是，光讓機(jī)器人在體內(nèi)動起來還不夠。必須保證前行的路徑是安全的，且不能在體內(nèi)橫沖直撞……

因此，為了保證機(jī)器人在體內(nèi)「精準(zhǔn)」穿梭，繞過危險(xiǎn)區(qū)域，確保安全性，研究微型機(jī)器人的路徑控制顯得尤為重要。且如前所述，機(jī)器人在體內(nèi)的運(yùn)行是「空中前進(jìn)」，這就要求機(jī)器人具備 3D 運(yùn)動能力。

2019年，徐天添團(tuán)隊(duì)便提出了一種新型的路徑跟隨控制算法，采用路徑微分法，把給定的任意路徑微分成各個(gè)小段，讓它在每一個(gè)點(diǎn)找它最近的小段，來控制它的前進(jìn)方向。他們的算法針對毫米級的磁驅(qū)動軟體機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)了 3D 路徑控制，相關(guān)工作獲得了IEEE智能機(jī)器人與系統(tǒng)國際會議（IROS）最佳應(yīng)用論文獎：

在路徑控制一塊，徐天添團(tuán)隊(duì)采取的也是磁控。磁控的主要優(yōu)勢在于可以無線操控：若機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)，人類研究員或醫(yī)生可以在體外實(shí)施操作。同時(shí)，磁控的響應(yīng)時(shí)間短、功率密度高，可重復(fù)性也高，機(jī)器人可以多次成功地到達(dá)病灶部位，消除成功率的隨機(jī)性。

圖注：徐天添團(tuán)隊(duì)的多自由度磁控裝置

實(shí)現(xiàn)單一機(jī)器人的3D路徑控制后，徐天添與團(tuán)隊(duì)又向多機(jī)器人的協(xié)同控制研究邁進(jìn)。

徐天添向AI科技評論解釋，基于磁控的微機(jī)器人群操作有兩大難點(diǎn)：一是同一個(gè)磁場里所輸入的信號是相同的，這會導(dǎo)致多個(gè)微型機(jī)器人的前進(jìn)方向與速度一致；二是微型機(jī)器人之間缺乏通訊，無法獨(dú)立控制。

為了解決這個(gè)問題，徐天添與團(tuán)隊(duì)鉆研多年，終于在今年年初取得了成果——

他們提出一種完全解耦的方法，無須通訊，用外部的統(tǒng)一信號來感知機(jī)器人，解決如何對相同的信號產(chǎn)生不同的輸出的問題，首次實(shí)現(xiàn)了4個(gè)磁性軟體微型機(jī)器人的獨(dú)立位置控制和3個(gè)磁性軟體微型機(jī)器人的獨(dú)立路徑跟隨控制，相關(guān)工作（“Independent Control Strategy of Multiple Magnetic Flexible Millirobots for Position Control and Path Following”）發(fā)表在國際機(jī)器人頂刊 T-RO 上。

圖注：毫米級機(jī)器人的獨(dú)立位置控制：（a）兩個(gè)機(jī)器人位置控制；(c)三個(gè)機(jī)器人位置控制；(e) 四個(gè)機(jī)器人位置控制；(b)、(d) 和 (f) 為機(jī)器人的對應(yīng)的位置軌跡

這個(gè)工作在多微型機(jī)器人的協(xié)同控制上邁進(jìn)了一大步。不過，徐天添也向AI科技評論表示，目前他們也只實(shí)現(xiàn)了4個(gè)微機(jī)器人的獨(dú)立控制，在未來，還要朝著更大的目標(biāo)前進(jìn)。

值得注意的是，在路徑控制一塊引入人工智能算法，也正在成為趨勢。例如，徐天添等人便從2020年開始采用華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院院長陳俊龍?jiān)?016年提出的「寬度學(xué)習(xí)」方法，自動計(jì)算與優(yōu)化對機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的控制率，從而實(shí)現(xiàn)更好的控制。

4、設(shè)想與現(xiàn)實(shí)

那么，距離微型機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)還有多久？

毫無疑問，費(fèi)曼的猜想很前衛(wèi)，「體內(nèi)外科醫(yī)生」的設(shè)想也令人十分神往。

前段時(shí)間，Nature也發(fā)文探討了微型機(jī)器人用于癌癥治療的前景。比如，抗癌藥物通常采用散彈槍方法，傳統(tǒng)治療方法在靜脈注射凝血藥，但會面臨血栓風(fēng)險(xiǎn)。而化學(xué)療法在破壞腫瘤的同時(shí)，不可避免地附帶攻擊健康細(xì)胞，引發(fā)一系列副作用。而針對這個(gè)困境，夢寐以求的替代方案是將一個(gè)微型機(jī)器人注射到患有癌癥的人體內(nèi)進(jìn)行靶向治療和給藥。

遙想微型機(jī)器人在有朝一日能夠進(jìn)入體內(nèi)進(jìn)行癌癥醫(yī)治，張立有著極大的研究熱情與動力。但同時(shí)，研究人員也清醒地意識到：體內(nèi)微型機(jī)器人的落地還有很長的路要走。比如，至今國內(nèi)外都還沒有研究人員真正將微型機(jī)器人在體內(nèi)落地。雷峰網(wǎng)

安全、倫理、性價(jià)比、風(fēng)險(xiǎn)控制等等，均是人們在未來要解決的問題。

在推動體內(nèi)機(jī)器人的研究與落地上，科學(xué)家在努力。張立向AI科技評論表示，近年來，香港政府投資了4.7億港幣在香港科學(xué)園建設(shè)了一個(gè)醫(yī)療機(jī)器人創(chuàng)新技術(shù)中心（如下圖），配備了技術(shù)先進(jìn)的醫(yī)療影像設(shè)備、磁力共振技術(shù)與X光等等，幫助科學(xué)家們進(jìn)行醫(yī)療機(jī)器人的創(chuàng)新與技術(shù)孵化。

圖為張立教授提供

「從科學(xué)研究的角度上說，我不覺得『史萊姆』機(jī)器人是具有里程碑意義的創(chuàng)新。」張立談道，「我們更希望實(shí)現(xiàn)的是賦予微機(jī)器人智能性，在微機(jī)器人的集群和控制系統(tǒng)上有所突破，讓器件更安全、更小型化、更智能化，然后找到它在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用出口，最終的目的，是要造福人類。」

也許，費(fèi)曼在上世紀(jì)50年代提出的「體內(nèi)外科醫(yī)生」的設(shè)想在不遠(yuǎn)的時(shí)日就會實(shí)現(xiàn)，未來它可以應(yīng)用到人體任何部位，如眼底、視網(wǎng)膜、胃腸道、膀胱或血管。

讓我們一起期待這一天可以早點(diǎn)到來。

參考鏈接：

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 ?