未來醫(yī)療的神奇法寶：穿腸過肚微型機(jī)器人

在1966年的電影《神奇的旅程》中，美國一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)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(gè)設(shè)備注入到了生病的科學(xué)家的身體內(nèi)。在身體內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)“變形蟲”穿過血管進(jìn)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(jìn)行了精確的外科手術(shù)。 從我們21世紀(jì)的視角來看，《神奇的旅程》簡(jiǎn)直是一部天真到可笑的電影;但是，在微觀尺度上進(jìn)行手術(shù)的概念正在從科幻走向現(xiàn)實(shí)。多虧了微制造等各項(xiàng)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(gè)異想天開的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了：利用公牛的精子、細(xì)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(dòng)的微型機(jī)器人，能夠?qū)NA運(yùn)送到細(xì)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(jī)和能夠扇動(dòng)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(shí)驗(yàn)室的概念和想象，但也有一些已經(jīng)開始在進(jìn)行動(dòng)物測(cè)試了。一些工程師也相信這些小東西終有一天會(huì)被應(yīng)用到醫(yī)藥行業(yè)之中。“我們最大的影響將會(huì)是在醫(yī)療保健行業(yè)。”微型機(jī)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(fù)責(zé)人。

研究人員說，通過使用正確的設(shè)計(jì)，一個(gè)微型機(jī)器人(或叫機(jī)器蟲)可以用來運(yùn)送針對(duì)性很強(qiáng)的藥物或放射性塊、清除血液中的淤結(jié)、進(jìn)行組織活檢或者建造一個(gè)新的細(xì)胞可以生長(zhǎng)其上的支架。

這幾類活動(dòng)能夠幫助擴(kuò)展醫(yī)藥行業(yè)兩個(gè)現(xiàn)有的趨勢(shì)：早期疾病診斷和更精確的靶向治療。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人和智能系統(tǒng)教授Bradley Nelson說：“夢(mèng)想是實(shí)現(xiàn)《神奇的旅程》。”

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，就意味著要克服一系列的工程學(xué)上的障礙。在微觀尺寸上，機(jī)器操作的幾乎每一個(gè)方面都需要重新思考，功能和運(yùn)動(dòng)方面的問題尤其棘手。而要在人體內(nèi)的工作又會(huì)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(jì)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(bǔ)充說，問題的焦點(diǎn)變成了技術(shù)人員能夠利用手中完成怎樣的工作。

醫(yī)學(xué)正在擁抱小型化，而現(xiàn)在一些技術(shù)也使得機(jī)器能在不需要外部控制的情況下穿過人體。比如說，一個(gè)電池驅(qū)動(dòng)的藥丸大小的機(jī)器人可以在穿過食道、腸道和結(jié)腸時(shí)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(chǎng)推廣，他們的產(chǎn)品可以講一個(gè)1平方毫米的硅電路嵌入到一個(gè)藥丸中。

“這是世界上最小的可消化的電腦，”Proteus的一位高級(jí)副總裁Markus Christen說。接著他指出其計(jì)算能力是很有限的。這個(gè)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(gè)電極材料，當(dāng)芯片周圍的藥丸降解時(shí)，電路將和胃中的胃液相接觸，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電極間的電導(dǎo)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(duì)電流進(jìn)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(shí)別碼。

Proteus的芯片只是處在微型機(jī)器人行業(yè)的上游。這個(gè)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(cè)試新藥時(shí)監(jiān)視臨床試驗(yàn)中藥物是否遵循設(shè)計(jì)。

要將物體做到更小更強(qiáng)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(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)電池不利，馬克斯·普朗克研究所的Sitti說。當(dāng)設(shè)備的尺寸低于1毫米時(shí)，“電池的容量將會(huì)急劇下降。”

一個(gè)可選項(xiàng)是使用無線電波來進(jìn)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(jī)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(jìn)活動(dòng)中收集能量。比如采用化學(xué)火箭式的推進(jìn)器，其能夠通過和人體內(nèi)的液體(如：胃酸)發(fā)生反應(yīng)進(jìn)行推進(jìn)。研究人員也在探索用生物混合結(jié)果能做出什么成績(jī)，如使用細(xì)菌來驅(qū)動(dòng)機(jī)器甚至可以讓細(xì)菌跟蹤特定的信號(hào)運(yùn)動(dòng)，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(xué)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(duì)環(huán)境因素(如：溫度，PH值甚至酶)做出反應(yīng)的材料制成。對(duì)溫度敏感的鉗臂在暴露在身體熱源的情況下會(huì)關(guān)閉。如果放置恰當(dāng)，其臂將緊密圍繞組織進(jìn)行微型活體檢測(cè)。

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(gè)帶夾子的樣本，這樣才能獲得良好的統(tǒng)計(jì)覆蓋。相反，醫(yī)生可以通過管子注入成百上千個(gè)微型夾子到結(jié)腸之中，然后通過患者的糞便進(jìn)行檢測(cè)。

根據(jù)在活豬身上的實(shí)驗(yàn)，Gracias的團(tuán)隊(duì)估計(jì)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?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)行走錯(cuò)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(huì)很強(qiáng)大。

“典型的想法是，你有一個(gè)設(shè)備，然后你能精確地引導(dǎo)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(gè)完美的設(shè)備一樣的功能。”

胃腸道是人體內(nèi)一個(gè)較為輕松的工作壞境。其空間相對(duì)較大，也比較容易從外部進(jìn)入，而且其自動(dòng)會(huì)將物質(zhì)送出體外。但是如果要探測(cè)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(jī)器人設(shè)計(jì)。

一個(gè)潛在的障礙是機(jī)器人可能會(huì)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(xué)厄巴納-香檳分校身體用軟電子器件先驅(qū)John Rogers說，“這會(huì)給任何自由流動(dòng)的結(jié)構(gòu)帶來非常嚴(yán)重的后果。”

所以精確放置微型機(jī)器人是很關(guān)鍵的。因?yàn)榧词故悄軌蜃粉橮H值或溫度變化的強(qiáng)大的微型機(jī)器人可能也無法抵抗血管中強(qiáng)大的流量。“事實(shí)上，這些東西并不會(huì)在你的血管中游動(dòng)很長(zhǎng)距離。”蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Nelson說。一個(gè)自動(dòng)化的微機(jī)器人也許只能快速定向運(yùn)動(dòng)20微米左右，他說，所以要讓這些設(shè)備達(dá)到指定位置，很可能還需要外部指導(dǎo)。

Nelson的一個(gè)目標(biāo)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(huì)在眼睛里慢慢擴(kuò)散，最終只有很少一部分能到達(dá)其目標(biāo)位置。而微機(jī)器人能帶著這些藥物到達(dá)指定位置，從而減少了由此產(chǎn)生的副作用。

外部引導(dǎo)機(jī)器人的一個(gè)明顯的方法是使用磁性材料制造這些機(jī)器人，然后在外部使用磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行控制。研究人員已經(jīng)使用核磁共振機(jī)在動(dòng)物身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。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(chǎng)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的控制。

事實(shí)證明，用磁場(chǎng)來移動(dòng)微機(jī)器人是非常困難的。“我們?nèi)赃€在了解其中的數(shù)學(xué)和物理機(jī)制，”Nelson說。要以任何方式移動(dòng)一個(gè)帶有機(jī)器臂的物體，你需要6個(gè)致動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度：x，y，z軸方向上的移動(dòng)，以及繞著各軸的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)他和他的同事終于找到能夠控制簡(jiǎn)單的磁性微機(jī)器人的五個(gè)自由度的時(shí)候，他發(fā)現(xiàn)他至少需要8個(gè)獨(dú)立的外部磁場(chǎng)線圈。Nelson說，加上第六個(gè)自由度，那就需要微型機(jī)器人具有比簡(jiǎn)單的磁棒更加復(fù)雜的磁場(chǎng)輪廓。

Nelson現(xiàn)在可以使用磁場(chǎng)強(qiáng)度小于10毫特斯拉的磁鐵來控制螺旋微機(jī)器人，這個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度只有核磁共振機(jī)磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)或者前進(jìn)。”他說，這和大腸桿菌的鞭毛驅(qū)動(dòng)方式有些類似。今年早些時(shí)候，他的團(tuán)隊(duì)報(bào)告說他們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功使用這些人工細(xì)菌鞭毛驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器向人類細(xì)胞中運(yùn)送遺傳物質(zhì)。

短期內(nèi)，Nelson將尋找一種較簡(jiǎn)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(dǎo)導(dǎo)管穿過心血管系統(tǒng)。而在長(zhǎng)期上，他將探索在沒有外部控制的情況下的各種可能。對(duì)于他和許多其他研究者來說，可能性還有很多。