外科手術有新招 讓微型機器人進入你的體內旅行

外科手術有新招 讓微型機器人進入你的體內旅行
▲蘇黎世聯邦理工學院的教授Brad Nelson。(圖片翻攝自雷鋒網)

【原文:雷鋒網原創文章《關於微型機器人 這是今天最in的一篇演講|CCF-GAIR 2017》,作者:張馳,智慧機器人網編輯整理】

文、圖/雷鋒網

雷鋒網按:7月7日,中國電腦學會(CCF)主辦,雷鋒網(公眾號:雷鋒網)與香港中文大學(深圳)承辦的第二屆CCF-GAIR全球人工智慧與機器人峰會在深圳如期開幕。在大會第三天的醫療人工智慧專場,蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的教授Brad Nelson做了大會報告。

 

他的報告從科幻中的機器人講到了已經實現的微型機器人,並就其實現原理及應用作了深入的分析,同時展示了其研究所的諸多微型機器人研究成果。他認為未來的醫療機器人一定有微型機器人一席之地,但這種過程並不輕鬆,期間還面臨著諸多挑戰。

以下內容由雷鋒網整理自Nelson教授的報告,有刪減:

今天我想和大家共同探討一下柔性機器人,特別是它的微型應用。

我和在蘇黎世的30個合作夥伴,從機器的角度,包括從材料、醫學的角度共同合作,他們來自不同背景,一起解決目前手中棘手的手術難題。在基礎角度我們會研究微型物理的作用,比如力學、機械生物學,與此同時開發微型機器人。更重要的是我們開發了以磁力驅動的機器人。最後一部分是材料。

今天我會介紹一些研究成果,同時講一下物理方面的進展,以及如何建立小型機器和使用磁驅動的方式驅動機器人。

微型機器人:一次人體旅行

微型機器人對未來的醫學有很大的影響。講到醫療,大家可能會看到像上圖這樣的,來自好萊塢電影中的機器人,它是完全自主的,像一個太空船,在人體進行手術。這是未來一個想像。科學家已經研究微型機器人大概30多年了,機器或者機器人會影響我們這個時代的醫學,未來機器人能夠給患者開藥自動診斷。現在有系統和機器在人的身上做一些簡單的手術,未來會有機器人自動做手術,這也需要計算速度以及大資料方面的支援,尤其是診斷方面。

現在世界上的醫療機器人很多,而且在15年前人們就開始在思考,下一代的機器人,尤其是下一代醫療機器人將會是什麼樣。

我們考慮的出發點是微型,就好象第一張圖片裡好萊塢電影中機器人一樣。這是1966年一部電影中出現的機器人,它可以縮小並讓一個科學家藏在其中,通過內部的感測器瞭解周圍的環境。它的體積非常小,能被吞咽到體內。而今天這個場景是可以實現的。

我覺得好萊塢已經比科學界先進很多了,但他們不用考慮現實情況,也不用考慮如何去製造,用什麼材料。對科學家來講這個問題很更難了,尤其是工程師,要考慮製造、機械、潛力,對社會大眾產生的好處,商業化和落地。另外還要考慮市場上哪些疾病是由醫療機器人可以承擔的,如果沒有這些,科研就是毫無意義的。

 

如何構造微型機器人?

接下來講機器人的構造,尤其是如何做微型機器人。我們不能像小說裡一樣讓機器人被吞咽到人體內,我們要講的是用什麼材料。所以先講講它的物理構成。

這上面有兩個公式,第一個是磁力,我們必須在微型機器人上增加一個磁張力,它才能進行吸附。另外,還要通過改變微型機器人的構造,使它增加力量或者減少力量,還希望這個機器人能進行旋轉。

 

根據這兩個公式創造出的機器人的物理公式,不光能夠進行力的增加和減少,而且能進行自由的360度翻轉和旋轉。

2009年的時候我們用八個比較常用的磁鐵驅動的醫療設備,看一下在三維工作場景中如何控制機器人的走向和力的大小。這個技術也是我們首先提出開發並且應用的。

 

微型機器人的應用

如果已經有了公式和能力控制微型機器人,接下來的問題是在醫療行業這種小型機器人有什麼好處。

首先看一下眼睛上有什麼樣的疾病。一般的疾病都是用肉眼從外部觀察到的,但有一些在過去十年沒有取得任何進步。現在則可以做到用一個微型機器人,在眼睛中觀察其內部構造,並且看有什麼樣的疾病。

我們發明瞭一個新的設備,它非常非常小,只有零點幾毫米,如果你把它放到眼睛上然後拿出來,它不會造成任何影響。

從微型機器人角度出發,我們還想發明一些能穿透血管的機器人,把它用在動物身上進行實驗。通過它們在血管裡的走向,找到疾病到底發生在哪個地方。

再看一下在體內發生的情況,有時候人們認為他們的心臟或者胃出了問題。

多年來有很多人呼籲用微型機器人協助外科醫生做手術。如果講到心臟,裡面有很多血管。如果能用一些微型機器人,這個機器人能有一套自系統能夠説明我們去控制手術的進程呢?

我們開發了一個系統,病人可以躺在這個系統中,醫生可以通過手裡的微型設備看患者的心跳、血流速度。同時,一個醫生或者護士協助病人描述自己體內的疾病情況。這種微型的體外設備進入到血管以後,因為有上面連接的磁力,所以能夠把資訊傳回到機器人的大腦。系統中的導管進入到體內,就發現腫瘤的位置。

左上方可以看到我們把兩個系統前端設備和後端設備連接在一起然後進行手術。右邊的下圖,整個過程中外科醫生能通過機器人協助控制手術進程。

手術有兩部分,第一要精確的從外部控制進入到病人體內的機器人導管。第二,當我們在移動導管的過程中,能夠進行完全的控制。

在接下來這張圖片裡,給大家看一下在真正的病患身上做的第一個成功的實驗。左邊是通過病人超聲波導圖看疾病情況。在右邊的圖上方,能夠看到心臟裡的圖像,能夠看到他不適的地方是哪,在哪個地方進行精確的實驗和手術。醫生看著傳回來的圖像,就把體外設備放進體內一直到心臟的部分。

導管很軟,同時非常靈活。我們可以讓它以高清晰度看到心室和心室前端的所有圖像。我們可以控制微型機器人,讓機器人控制導管。通過這個技術,我們做到的不止是對於導管,特別是心導管的操作和控制。

最近也把它使用在其他部分,比如進入到胃的底端,可以很清楚的進行胃的檢查。更重要的是,平時想要進行胃腸鏡的檢查,最難是進入到小腸部分。我們現在和香港的醫生共同合作,實現了一個6米長的磁導性的導管,可以實現30分鐘體內移動。

 

 多形態的微型機器人

下面看一下軟性機器人。它在過去5-10年非常受歡迎。這類有使用比較柔軟的高分子材料製造,還有以生物為導向的技術和材料生成,我認為這也是未來機器人發展的領域,也就是所謂高軟性機器人。與此同時,大型軟性機器人是否可以做小,做到特別微型,比如能夠幫我們做到縫細胞。

在我們把機器人做得越來越小的過程中,物理特性會發生改變。我們還使用磁場,但是磁場的使用在微型量級就不能是同樣的物理屬性。自然給瞭解決方案。在1973年我們才真正瞭解到細菌有自旋的機制,這是非常有意思的運動機制。這種運動機制,讓我們能讓微型機器人模擬大腸桿菌或者其他菌體運行。

現在開發的人工菌體,它的鞭毛非常小,同時是雙旋的結構,能在液體中自由流動,可以通過磁場進行非常精准的操作。

我們做了一些更小的微型機器人,和人的毛髮相比,它大概就是15-20微克,大概是紅細胞的大小。我們現在做的非常小的柔性機器人,同時可以在各種液體還有高分子的鏈當中都進行使用。

2012年的吉尼斯世界記錄也記錄了ZTH的最微型的機器人,現在我們還在不斷的縮小機器人的尺寸。

在開發了機器人之後,不僅僅要關注它的運動,也希望它能帶來有效的應用。過去幾年我們一直在想如何用機器人進行給藥,專門針對身體的某一個病灶進行。

我們把機器人使用特殊材料包覆,上面有單獨的DNA,這DNA上帶著黃色螢光蛋白。我們所做的是,讓小的柔性微型機器人與人的腎臟細胞進行結合。我們看到,細胞會攫取了機器人攜帶的DNA,上面有螢光蛋白,我們就可以瞭解到細胞的轉染,同時更好的瞭解這些細胞的基因表達。

微型機器人還可以做其他的應用,比如,有沒有辦法能夠對藥物進行精准的控制,是否使用形狀變化的物體來進行藥物控制。比如說水凝膠,它在溫度變化時就會發生相應變化。

我們幾年前開始做一種實驗,探討是否有一種機制,能使用磁場的方式進行藥物溫力的控制。如果打紅外線,就可以讓水凝膠進行加熱,它最終可以釋放出有效的藥物分子,在體內進行精准的藥物給藥。

在我們進行研究的過程中,我們發現做的不僅僅是針對機器人的使用,也在探討自然,在自然界中有不同形態的微型生物體。這是在過去幾年我們發現的不同細菌形態和細胞形態。

有一種寄生蟲它有不同的形態,它從蒼蠅進入到人體,會造成睡病。它有一個非常有意思的形態,可以在人的身體內實現盡情的流動。當它達到某一個生命的週期,就會出現體內沉睡,然後生存,再不斷複製本身的細胞,再次開始全新的生命週期。

我們不希望機器人這樣做,但覺得可以學習這種機制。自然界有很多微型生命體,它們有不同的形態,我們就在想,微型機器人是否可以做到這一點。

微型機器人可以在形態學上有改變,或者可以改變自己的形態。比如在溫度的變化下,調節它們的形態變化。這種變化能不斷的優化設備,讓它們達到更好的移動性,讓它們更好的實現高速度的運動,或者可以實現像寄生蟲或者一般病菌移動的過程。

從我們的角度來說,這樣可以開發技術來實現各種形態的機器人操作。可以控制它們的行為,找到最好的移動點。

除此之外,我們也在探討如何把微型機器人用於導管還有內窺鏡技術,從而幫助我們更好的瞭解,如何通過磁場的方式實現導管可靈活性的使用和導入,或者用小的導管就可以實現微型手術,使用內窺鏡就可以實現小腸的窺探。

微型機器人可以幫助我們瞭解如何設置導管和材料。我們現在能夠實現初步建模,瞭解不同磁場之間的作用,能實現導管在結構上的形態變化,而不再使用傳統的內窺鏡所使用的導管。

這從臨床角度說是可以實現的,現在市場上已經有了兩個系統可以出現磁導管,可以幫助我們瞭解到,使用導管時在體內發生不斷的形態變化,幫助我們做給藥或者對纖維的控制。

最近我的一個博士生正在使用非常小的磁的支氣管鏡檢。他使用的是非常好的磁場檢查,非常小的支氣管鏡,使內窺鏡進入到支氣管底部。它是非常小的導管,直徑只有2微米,可以進入體內看肝細胞是否出現任何癌化的過程,並且抽樣進行活檢。

我瞭解到,中國的肺癌是很嚴重的疾病,而我們做了很多工作,希望推動肺癌的治療。用微型機器人能夠進入到肺的底部,比現在內窺鏡進入的維度還要深得多。

除了做手術之外,我們能夠通過在外部控制微型機器人,讓它們在肺部進行自由的行動。由於柔性材料具備翻滾能力,所以不用擔心,它能一直能進入到肺的最底部,比目前所有市場上設備進入得都要深。

另外,把傳統機器人引入到新的新型機器人裡,同時還可以創造一些新的可彎曲的構造,幫助我們實現現在在轉動外科手術上所不能達到的病灶深度。

剛開始的時候我說了科幻小說中出現的場景,但實際上,現在也發明瞭截斷微型柔性機器人,它能進入到身體不同部分,並且把其中幾段進行自動的分割,以達到給藥和治病的目的。

當然,問題在於:

第一,如何進行藥物的裝取

第二,要用什麼樣的納米材料進行構造

第三,如何控制體內溫度、酸堿值以及所有能夠控制給藥和切斷的工具、條件

關於如何給藥,我們還發明一個小型機器人,能夠自動降解,進入到你的體內可以待數月或者數日。另外我們考慮如何讓這些機器人給藥過程中不至於傷害到其他的細胞。

 

微型機器人的未來

我想跟大家強調的一點是未來是無限的,講到微型納米機器人,它是一個很小很新的學科,我們對它的研究也不超過15年。我們在動物的身上做了實驗,但如果在人的身上做實驗,是更加複雜的過程,不光是進行一個簡單的導管設備。

我們未來還有哪些問題要解決呢?

現在還存在感知的問題,另外還要解決一些物理的材料問題。但還有一些非常基本的問題,是沒有辦法解決的。這個學科每週都有新的論文發表,解決現在所出現的問題,但還有很多工作沒有做。

我們也依然在跟醫生瞭解,看微型醫療機器人在醫學上的應用在哪裡,而且也在他們那裡拿到一些回饋,看他們現在的醫療難題是什麼,我們能為他們做什麼。

另外,如果能創造出許許多多小型微型機器人就能創造出一些大的不同,我們現在已經把8000個小的微型機器人聯繫在一起了。大家還看到現在3D柔性列印也變成可能了,這種柔性印表機也為我們做醫療機器人提供了可能。

我們的研究團隊正在加大投資力度和科研力度,跟新材料的科學家進行溝通,找到更多的新材料。

如果我們再回過一步看醫療機器人領域,實際上在2001年醫療機器人就有了很大的突破,從2001年到現在有16年時間,我們看到商業的成功、療法上的成功。許多在醫療機器人領域工作的人,將毫無疑問繼續推進他們的工作。

在這個過程中也有新的點子和想法,可能一個機器從最初研究到實現商業化最少20年。對我們來講,使命還非常艱巨,現在有更多微型醫療機器人,有時候要改變技術,有時候要改造機器人的構造。

想法很簡單,但要真正實現這個過程,並且要培訓外科醫生如何更好使用小型或者微型機器人,幫助他們做手術,實際上是更困難的任務。

當然,疾病也是一個複雜的過程,從科學上講小型機器人也只能是盡自己的一點小力。

研究也需要極大的科研資金的投入,尤其是政府的法律法規的支持,來幫助我們獲得更多的關於醫療微型機器人科研方面的投資。

毫無疑問,全世界廣泛的使用醫療機器人,它將會讓更多的病人用更好的方式被做手術,我們也需要找到新的設備把治療的時間變短,把整個治病的過程變得更加的可負擔。這是我們未來研究的方向。

最後一點關於我們未來可能要研究的方面,要說的是,今天世界上大多數人還是沒有辦法獲得高品質或者優質的外科醫生,幫助他們診斷自己的疾病。哈佛醫學院發現,30%-40%人類疾病都是需要通過外科手術解決。

現在我們的錢都投入到愛滋病、肺炎還有其他疾病,而這些疾病只是全球犯病人數的10%。所以我們必須提供越來越多的微型醫療機器人,讓它們協助外科醫生自主做手術,解決全球人們所需要解決的醫療問題。作為醫療服務的提供者,必須要把外科手術帶給更多的發展中國家,給那些沒有機會獲得手術的人,給第三世界國家的患者。

未來微型醫療機器人的前景很光明,我們必須把問題想得更深更遠,如何能降低治療的成本,提高整個手術的效率,尤其是如何能夠在第三世界去實現這些目標。

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【原文:雷鋒網原創文章《關於微型機器人 這是今天最in的一篇演講|CCF-GAIR 2017》,作者:張馳,智慧機器人網編輯整理】

 

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