费曼狂想曲：能够进入体内的「外科医生」

1959年，诺贝尔物理学奖获得者理查德·米德多特，费曼在加州理工学院做了题为的讲座，底部有足够的空间最初设想了体内微型机器人的可能性

在费曼猜想中，这种微型机器人由MEMS驱动，可以进入体内进行手术当时，费曼说，如果我们能吞下一个外科医生，许多复杂的手术就能变得有趣和简单

也许费曼的影响太大了10年后，在科研界开展研究之前，美国导演理查德·弗莱彻将费曼的想法拍成了经典科幻电影《神奇之旅》电影中，五个医生被缩小到原来的百万分之一体积，注射到一个脑血管被毁，生命垂危的病人体内经过一系列的冒险，他们终于找到了出血点，及时挽救了病人的生命

可是，能进入人体的微型机器人只能是幻想吗答案显然令人怀疑

自从Ziman提出体内外科医生的概念以来，科学家们就被这一思想所吸引和激励，致力于微型机器人的研究，并取得了许多良好的成果科学家设想，未来机器真的可以进入人的身体，实现靶向治疗和药物输送，帮助治疗肿瘤等重大疾病

1.粘液机器人

前段时间，一个名为史莱姆的带有磁控粘液的微型机器人在《新科学家》上火了。

它由磁性粘液材料制成，可以进入体内，取出不小心吞下的小装置4月1日一发布，立刻在技术界引起了极大的轰动

与我们常见的机器人不同，这个机器人在外形，动作，能力上更像是一个怪物，与我们想象中由刚性硬件构成的机器和人有很大不同，有着类似人类的五官和身体。

根据演示，它的形状就像一团黑色的面团，没有头，没有脸，没有手和脚，身体柔软，形状各异。

可是，尽管外表丑陋，这种黏液机器人却拥有许多奇特的功能，例如改变其柔软的身体，穿越狭窄的缝隙，修复断裂的电线，取出在人体消化道中被误食的电子元件。

即使被切成几块再拼接起来，也有自愈的能力。

史莱姆机器人打破了大多数人对机器人的传统印象，凭借酷炫的未来感和潜在的力量，让体内微型机器人走进了大众的视野。

史莱姆机器人R&D成员之一张莉教授介绍，自愈能力也是软体机器人中的热门研究方向之一，主要体现在对不同环境的高度适应性粘液机器人的强大之处不仅在于它在被切断后能够自愈，还在于它即使在空气和固体环境中也能保持完整的形状

注:张莉，香港中文大学机械及自动化工程系教授

事实上，最近几年来微型机器人的研究成果层出不穷，如微型电机驱动的飞行机器人，大如苍蝇/甲虫与它们不同的是，粘液机器人的独特之处在于，它在非牛顿液体物质中加入了磁粉和粒子，从而实现磁场控制，使其运动灵敏，甚至可以自由变形

黏液机器人的自愈能力还取决于材料本身的特性和外界的磁导身体被切断后，相互靠近的聚合物相互作用，重新整合

需要说明的是，史莱姆机器人目前还不具备自主移动的能力，它的移动依赖于外部磁场控制的钕磁铁。

黏液机器人本身没有固定的形状它是粘性的，当施加磁场时，它会有反应从左到右移动你的磁铁，它将从左到右跟随磁铁由于磁力的作用，很容易改变它的形状比如有人不小心吞了有害成分，就把它变成手，抓住包裹张莉向《人工智能技术评论》介绍

这也是张莉领导的先进纳米材料和微型机器人实验室首次制造出磁性粘液机器人此前，ANML已经制造了许多不同类型的微纳米机器人，包括通过3D技术打印的仿生昆虫机器人，所有这些机器人都是基于磁场进行远程控制的但像史莱姆这样黏糊糊，变形如此严重的机器人，能像大象的鼻子一样卷起来，这还是第一次张莉说

图注:孙萌萌博士

这主要是因为孙萌萌在哈尔滨工业大学读博士时就有一些想法之后借助我们课题组积累的相关材料和磁控操作经验，项目进展顺利张莉介绍道

考虑到人体内部环境的复杂性，张莉的团队设想黏液机器人可能在消化道有一定的应用空间，原因有几个:一是消化道的腔体较大，黏液机器人在其中的穿梭会更顺畅，二是人体消化道微生物菌群多，在体内尝试机器人的风险相对较低，第三，史莱姆机器人制作的材料经过细胞毒性测试，毒性较低如果只是在体内停留很短时间，然后排出体外，理论上是安全的

当然，目前使用黏液机器人作为体内治疗的执行者的想法还处于想象阶段，需要进一步探索。

2.体内微型机器人的发展。

史莱姆机器人的表现令人欣慰，但回顾这种可以进入体内的微型机器人的发展史，也不过几十年的时间。

20世纪70年代，为了推动机密研究，美国情报机构试图设计一些能够辅助战俘和电子拦截的微型机器人但是，由于当时底层支撑技术还没有完全发展起来，微型机器人的原型并不是从这一套早期的计算和概念发展而来的

直到21世纪，微型机器人人才正式启动伴随着微机电，微驱动器等多学科领域的发展，微型机器人取得了重要的技术突破，逐渐成为国际研究热点

描述:仿生微型机器人

与研究了半个多世纪的大型机器人相比，微型机器人的发展只有二十多年，能进入人体的微型机器人屈指可数，国内外都处于起步阶段。

微型机器人种类繁多，其中微型医疗机器人被业界认为是最有前景的应用领域日本科学技术政策研究所预测未来，微型机器人和机器人将被用于所有医疗手术的一半以上

在国外，日本已经率先采用了机器人外科医生计划，正在开发可以在人体血管中穿行，寻找并杀死癌细胞的超微型机器人美国马里兰州约翰·米德多特，霍普金实验室开发了一种微型检测装置，带有微型硅温度计和微型电路，可以被吞入体内，并将体内的温度信息发送到记录仪瑞典科学家发明了一个有英文标点符号大小的机器人未来，它可以移动单个细胞或捕捉细菌，然后在人体内进行各种操作

国内的研究者也很早就开始关注这一前沿方向，如苏州大学的孙立宁教授和沈阳自动化学院的刘连青教授在体内机器人板块，香港中文大学教授张莉，深高院研究员徐甜甜等年轻学者也不甘落后，从材料和控制两个方向探索新机遇

一般来说，实现体内机器人有三个要素:一是微形的实现，二是适应内部环境的安全材料，三是机器人在体内的自动驾驶技术。

以史莱姆机器人为例，它最大的突破是材料它采用具有非牛顿流体特性的聚乙烯醇和硼砂材料，外加一层二氧化硅它的粘度伴随着与外界的接触而变化，对环境的适应性很高它可以在气体，液体和固体环境中伸展和爬行，并可以在多种模式下运行

注意:非牛顿液体可以倒入池中浮在水面上。

可是，硼砂的毒性安全性仍未得到保证，目前该领域的研究重点之一是寻找更适合构建微型医疗机器人的材料材料要柔韧，亲肤，无毒，无害，易从体内取出，易操作

关于创新和安全，张莉教授的观点是:有时科学家和医生有不同的想法医生倾向于保守，往往首先考虑安全，而科学家更强调创新两者存在一定的矛盾但是在医疗现场，毫无疑问，安全一定是第一位的

除了材料，控制微型机器人的内部路径是实现外科医生另一个亟待解决的难题最近几年来，体内微型机器人的研究热点经历了从开环控制到闭环控制，从单一运动模式到多运动模式，从单机器人到多机器人三个阶段微型机器人集群的操控在活体医疗场景中具有实际应用价值，也是目前机器人领域的一大研究趋势

与单个机器人相比，集群微型机器人有两个优点:

首先是降低故障率例如，对于药物装载，可以增加集群机器人的药物装载剂量此外，在血液和其他环境中，单个微小的机器人很容易被血液冲走或被巨噬细胞吞噬这时候如果换成集群机器人，可以提高治疗的成功率

第二，星团易于观察现在的机器人可以做到纳米尺度，但是放在体内，用现有的医学影像设备要清晰观察单个机器人是极其困难的就像潜水一样，我们往往会忽略前方游来的一条小鱼，却常常被远处的一群黑鱼所震撼

3.路径控制:身体里的驾驶

中国科学院深圳先进技术研究院研究员徐甜甜是微型机器人路径控制研究中的一颗新星。

自动化控制背景的徐天在巴黎中央理工大学和巴黎第六大学获得硕士和博士学位，博士期间开始研究微型机器人2014年博士毕业后，她加入了香港中文大学张莉教授团队，担任博士后研究员2016年，她正式加入深圳高等研究院智能仿生学中心，是目前深圳高等研究院唯一研究医用微型机器人路径控制的科学家

注:深高院徐甜甜研究员

从徐甜甜教授的角度来看，体内微型机器人路径控制的研究可以分为三个方向:一是如何让微型机器人在体内运动第二，如何让它们按照既定的路径移动如何让它们适应体内的复杂环境

如果把微型机器人比作一辆汽车，那么机器人在体内的悬空运动就相当于在复杂的闹市区控制一辆汽车在空中行驶，难度极大，安全危险系数高。

需要注意的是，微观世界的很多物理规律和宏观世界是不一样的例如，1976年，诺贝尔物理学家E.M.Purcell提出了扇贝定律，即当扇贝快速打开壳，然后慢慢合上时，由于惯性，扇贝在快速打开壳时会向前运动，形成通道式的向前运动但在微观世界里，惯性力在粘性面前几乎可以忽略不计，扇贝的开合动作无法使其前进

人体的内环境也是一个缩影如何让微型机器人在体内运动

徐甜甜和团队一起从大自然中汲取灵感:一个是大肠杆菌，它由螺旋尾巴驱动，就像拧螺丝一样，转动前进，另一种是精子的柔性振动，通过拍动尾巴向前运动通过这两种方式，他们成功制造了螺旋机器人和类精子仿生机器人，并成功使机器人在模仿人体的环境中运动

照片:微型机器人在液体中盘旋。

可是，这还不足以使机器人在体内运动。保证前方道路安全，不能在体内横冲直撞helliphellip

因此，为了保证机器人在体内的精确穿梭，绕过危险区域，保证安全，研究微型机器人的路径控制就显得尤为重要如上所述，机器人在体内的运动是在空中前进，这就要求机器人具备3D运动能力

2019年，徐甜甜的团队提出了一种新的路径跟随控制算法，该算法使用路径微分方法将给定的任意路径分成小段，并让它在每个点上找到其最近的一段，以控制其方向。他们的算法成功实现了毫米级磁驱动软机器人的三维路径控制，相关工作获得了IEEE智能机器人与系统国际会议最佳应用论文奖:

在路径控制上，徐甜甜的团队也采用了磁力控制磁控的主要优点是可以无线控制:如果机器人进入体内，人类研究人员或医生可以在体外进行手术同时磁控响应时间短，功率密度高，重复性高机器人可以多次成功到达病灶，消除了成功率的随机性

图:徐甜甜团队的多自由度磁控装置

在实现了单个机器人的三维路径控制后，徐甜甜和他的团队又向前推进到多机器人的协作控制。

徐甜甜向AI科技解释说，基于磁控的微型机器人人群操作有两个难点:一是同一磁场中输入的信号相同，会导致多个微型机器人的方向和速度相同，二是微型机器人之间缺乏交流，无法独立控制。

为了解决这个问题，徐甜甜和团队研究了多年，终于在今年年初取得了成果mdashmdash

他们提出了一种完全解耦的方法，利用外部统一的信号，在没有通信的情况下感知机器人，解决了同一信号如何产生不同输出的问题他们首次实现了4个磁性软件微机器人的独立位置控制和3个磁性软件微机器人的独立路径跟随控制，相关工作发表在国际机器人顶级期刊T—RO上

注:毫米机器人独立位置控制:两个机器人的位置控制，三个机器人的位置控制，四个机器人的位置控制，，和是机器人相应的位置轨迹。

这项工作在多微机器人的协作控制方面向前迈进了一大步不过，徐甜甜也对AI科技评价说，目前他们只实现了4个微型机器人的独立控制，未来会向更大的目标迈进

值得注意的是，在路径控制块中引入人工智能算法也正在成为一种趋势例如，等人在2020年开始使用华南理工大学计算机学院院长陈提出的宽度学习方法，自动计算和优化复杂环境下机器人的控制率，从而达到更好的控制

4.想象和现实

那么，微型机器人还要多久才能进入人体。

毫无疑问，费曼的猜想是非常前卫的，而内外科医生的想法也是非常引人入胜的。

前段时间，《自然》也发表了一篇论文，讨论微型机器人治疗癌症的前景比如抗癌药物通常采用霰弹枪法，而传统的治疗方法是静脉注射凝血药物，但会面临血栓形成的风险化疗在摧毁肿瘤的同时，也不可避免地攻击健康细胞，引发一系列副作用鉴于这种困境，令人垂涎的替代方案是将微型机器人注射到患有癌症的人体内，进行靶向治疗和药物输送

张莉有很大的研究热情和动力，认为微型机器人有一天可以进入人体进行癌症治疗但与此同时，研究人员也清醒地认识到，体内微型机器人要落地还有很长的路要走比如，到目前为止，国内外还没有研究人员真正将微型机器人降落在体内

安全，道德，性价比，风险控制等都是人们未来要解决的问题

科学家们正在努力推动机器人在体内的研究和落地张莉对AI科技评价称，最近几年来，香港政府投资4.7亿港元在香港科学园建设医疗机器人创新技术中心，配备先进的医疗影像设备，磁共振技术，x光等，帮助科学家创新孵化医疗机器人

从科学研究的角度来看，我不认为粘液机器人是一个标志性的创新张莉说，我们更希望实现的是赋予微型机器人智能，在微型机器人的集群和控制系统上取得突破，使设备更安全，更小巧，更智能，然后在医学上找到它的应用最终目的是造福人类

也许，费曼在20世纪50年代提出的内外科医生的想法在不久的将来会实现，未来它可以应用于人体的任何部位，比如眼底，视网膜，胃肠道，膀胱或者血管。

让我们希望这一天会很快到来。

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