柔性机器人及其微型应用 | 微型机器人的神奇旅程

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楼主 2018-04-24 09:34:05
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柔性机器人及其微型应用

来源: 雷锋网(ID:leiphone-sz),作者:Brad Nelson  

7月7日,第二届CCF-GAIR全球人工智能与机器人峰会在深圳如期开幕。在大会第三天的医疗人工智能专场,苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的教授Brad Nelson做了大会报告。

他的报告从科幻中的机器人讲到了已经实现的微型机器人,并就其实现原理及应用作了深入的分析,同时展示了其研究所的诸多微型机器人研究成果。他认为未来的医疗机器人一定有微型机器人一席之地,但这种过程并不轻松,期间还面临着诸多挑战。

以下内容由雷锋网整理自Nelson教授的报告,有删减:

今天我想和大家共同探讨一下柔性机器人,特别是它的微型应用。

我和在苏黎世的30个合作伙伴,从机器的角度,包括从材料、医学的角度共同合作,他们来自不同背景,一起解决目前手中棘手的手术难题。在基础角度我们会研究微型物理的作用,比如力学、机械生物学,与此同时开发微型机器人。更重要的是我们开发了以磁力驱动的机器人。最后一部分是材料。

今天我会介绍一些研究成果,同时讲一下物理方面的进展,以及如何建立小型机器和使用磁驱动的方式驱动机器人。 

1微型机器人:一次人体旅行

微型机器人对未来的医学有很大的影响。讲到医疗,大家可能会看到像上图这样的,来自好莱坞电影中的机器人,它是完全自主的,像一个宇宙飞船,在人体进行手术。这是未来一个想象。科学家已经研究微型机器人大概30多年了,机器或者机器人会影响我们这个时代的医学,未来机器人能够给患者开药自动诊断。现在有系统和机器在人的身上做一些简单的手术,未来会有机器人自动做手术,这也需要计算速度以及大数据方面的支持,尤其是诊断方面。

现在世界上的医疗机器人很多,而且在15年前人们就开始在思考,下一代的机器人,尤其是下一代医疗机器人将会是什么样。

我们考虑的出发点是微型,就好象第一张图片里好莱坞电影中机器人一样。这是1966年一部电影中出现的机器人,它可以缩小并让一个科学家藏在其中,通过内部的传感器了解周围的环境。它的体积非常小,能被吞咽到体内。而今天这个场景是可以实现的。

我觉得好莱坞已经比科学界先进很多了,但他们不用考虑现实情况,也不用考虑如何去制造,用什么材料。对科学家来讲这个问题很更难了,尤其是工程师,要考虑制造、机械、潜力,对社会大众产生的好处,商业化和落地。另外还要考虑市场上哪些疾病是由医疗机器人可以承担的,如果没有这些,科研就是毫无意义的。 

2如何构造微型机器人?

接下来讲机器人的构造,尤其是如何做微型机器人。我们不能像小说里一样让机器人被吞咽到人体内,我们要讲的是用什么材料。所以先讲讲它的物理构成。

这上面有两个公式,第一个是磁力,我们必须在微型机器人上增加一个磁张力,它才能进行吸附。另外,还要通过改变微型机器人的构造,使它增加力量或者减少力量,还希望这个机器人能进行旋转。

根据这两个公式创造出的机器人的物理公式,不光能够进行力的增加和减少,而且能进行自由的360度翻转和旋转。

2009年的时候我们用八个比较常用的磁铁驱动的医疗设备,看一下在三维工作场景中如何控制机器人的走向和力的大小。这个技术也是我们首先提出开发并且应用的。 

3微型机器人的应用

如果已经有了公式和能力控制微型机器人,接下来的问题是在医疗行业这种小型机器人有什么好处。

首先看一下眼睛上有什么样的疾病。一般的疾病都是用肉眼从外部观察到的,但有一些在过去十年没有取得任何进步。现在则可以做到用一个微型机器人,在眼睛中观察其内部构造,并且看有什么样的疾病。我们发明了一个新的设备,它非常非常小,只有零点几毫米,如果你把它放到眼睛上然后拿出来,它不会造成任何影响。

从微型机器人角度出发,我们还想发明一些能穿透血管的机器人,把它用在动物身上进行实验。通过它们在血管里的走向,找到疾病到底发生在哪个地方。

再看一下在体内发生的情况,有时候人们认为他们的心脏或者胃出了问题。多年来有很多人呼吁用微型机器人协助外科医生做手术。如果讲到心脏,里面有很多血管。如果能用一些微型机器人,这个机器人能有一套自系统能够帮助我们去控制手术的进程呢?

我们开发了一个系统,病人可以躺在这个系统中,医生可以通过手里的微型设备看患者的心跳、血流速度。同时,一个医生或者护士协助病人描述自己体内的疾病情况。这种微型的体外设备进入到血管以后,因为有上面连接的磁力,所以能够把信息传回到机器人的大脑。系统中的导管进入到体内,就发现肿瘤的位置。

左上方可以看到我们把两个系统前端设备和后端设备连接在一起然后进行手术。右边的下图,整个过程中外科医生能通过机器人协助控制手术进程。

手术有两部分,第一要精确的从外部控制进入到病人体内的机器人导管。第二,当我们在移动导管的过程中,能够进行完全的控制。

在接下来这张图片里,给大家看一下在真正的病患身上做的第一个成功的实验。左边是通过病人超声波导图看疾病情况。在右边的图上方,能够看到心脏里的图像,能够看到他不适的地方是哪,在哪个地方进行精确的实验和手术。医生看着传回来的图像,就把体外设备放进体内一直到心脏的部分。

导管很软,同时非常灵活。我们可以让它以高清晰度看到心室和心室前端的所有图像。我们可以控制微型机器人,让机器人控制导管。通过这个技术,我们做到的不止是对于导管,特别是心导管的操作和控制。最近也把它使用在其他部分,比如进入到胃的底端,可以很清楚的进行胃的检查。更重要的是,平时想要进行胃肠镜的检查,最难是进入到小肠部分。我们现在和香港的医生共同合作,实现了一个6米长的磁导性的导管,可以实现30分钟体内移动。 

4多形态的微型机器人

下面看一下软性机器人。它在过去5-10年非常受欢迎。这类有使用比较柔软的高分子材料制造,还有以生物为导向的技术和材料生成,我认为这也是未来机器人发展的领域,也就是所谓高软性机器人。与此同时,大型软性机器人是否可以做小,做到特别微型,比如能够帮我们做到缝细胞。

在我们把机器人做得越来越小的过程中,物理特性会发生改变。我们还使用磁场,但是磁场的使用在微型量级就不能是同样的物理属性。自然给了解决方案。在1973年我们才真正了解到细菌有自旋的机制,这是非常有意思的运动机制。这种运动机制,让我们能让微型机器人模拟大肠杆菌或者其他菌体运行。

现在开发的人工菌体,它的鞭毛非常小,同时是双旋的结构,能在液体中自由流动,可以通过磁场进行非常精准的操作。我们做了一些更小的微型机器人,和人的毛发相比,它大概就是15-20微克,大概是红细胞的大小。我们现在做的非常小的柔性机器人,同时可以在各种液体还有高分子的链当中都进行使用。

2012年的吉尼斯世界记录也记录了ZTH的最微型的机器人,现在我们还在不断的缩小机器人的尺寸。

在开发了机器人之后,不仅仅要关注它的运动,也希望它能带来有效的应用。过去几年我们一直在想如何用机器人进行给药,专门针对身体的某一个病灶进行。

我们把机器人使用特殊材料包覆,上面有单独的DNA,这DNA上带着黄色荧光蛋白。我们所做的是,让小的柔性微型机器人与人的肾脏细胞进行结合。我们看到,细胞会攫取了机器人携带的DNA,上面有荧光蛋白,我们就可以了解到细胞的转染,同时更好的了解这些细胞的基因表达。

微型机器人还可以做其他的应用,比如,有没有办法能够对药物进行精准的控制,是否使用形状变化的物体来进行药物控制。比如说水凝胶,它在温度变化时就会发生相应变化。我们几年前开始做一种实验,探讨是否有一种机制,能使用磁场的方式进行药物温力的控制。如果打红外线,就可以让水凝胶进行加热,它最终可以释放出有效的药物分子,在体内进行精准的药物给药。

在我们进行研究的过程中,我们发现做的不仅仅是针对机器人的使用,也在探讨自然,在自然界中有不同形态的微型生物体。这是在过去几年我们发现的不同细菌形态和细胞形态。有一种寄生虫它有不同的形态,它从苍蝇进入到人体,会造成睡病。它有一个非常有意思的形态,可以在人的身体内实现尽情的流动。当它达到某一个生命的周期,就会出现体内沉睡,然后生存,再不断复制本身的细胞,再次开始全新的生命周期。

我们不希望机器人这样做,但觉得可以学习这种机制。自然界有很多微型生命体,它们有不同的形态,我们就在想,微型机器人是否可以做到这一点。

微型机器人可以在形态学上有改变,或者可以改变自己的形态。比如在温度的变化下,调节它们的形态变化。这种变化能不断的优化设备,让它们达到更好的移动性,让它们更好的实现高速度的运动,或者可以实现像寄生虫或者一般病菌移动的过程。

从我们的角度来说,这样可以开发技术来实现各种形态的机器人操作。可以控制它们的行为,找到最好的移动点。

除此之外,我们也在探讨如何把微型机器人用于导管还有内窥镜技术,从而帮助我们更好的了解,如何通过磁场的方式实现导管可灵活性的使用和导入,或者用小的导管就可以实现微型手术,使用内窥镜就可以实现小肠的窥探。

微型机器人可以帮助我们了解如何设置导管和材料。我们现在能够实现初步建模,了解不同磁场之间的作用,能实现导管在结构上的形态变化,而不再使用传统的内窥镜所使用的导管。这从临床角度说是可以实现的,现在市场上已经有了两个系统可以出现磁导管,可以帮助我们了解到,使用导管时在体内发生不断的形态变化,帮助我们做给药或者对纤维的控制。

最近我的一个博士生正在使用非常小的磁的支气管镜检。他使用的是非常好的磁场检查,非常小的支气管镜,使内窥镜进入到支气管底部。它是非常小的导管,直径只有2微米,可以进入体内看肝细胞是否出现任何癌化的过程,并且抽样进行活检。

我了解到,中国的肺癌是很严重的疾病,而我们做了很多工作,希望推动肺癌的治疗。用微型机器人能够进入到肺的底部,比现在内窥镜进入的维度还要深得多。

除了做手术之外,我们能够通过在外部控制微型机器人,让它们在肺部进行自由的行动。由于柔性材料具备翻滚能力,所以不用担心,它能一直能进入到肺的最底部,比目前所有市场上设备进入得都要深。

另外,把传统机器人引入到新的新型机器人里,同时还可以创造一些新的可弯曲的构造,帮助我们实现现在在转动外科手术上所不能达到的病灶深度。

刚开始的时候我说了科幻小说中出现的场景,但实际上,现在也发明了截断微型柔性机器人,它能进入到身体不同部分,并且把其中几段进行自动的分割,以达到给药和治病的目的。当然,问题在于:

第一,如何进行药物的装取

第二,要用什么样的纳米材料进行构造

第三,如何控制体内温度、酸碱值以及所有能够控制给药和切断的工具、条件

关于如何给药,我们还发明一个小型机器人,能够自动降解,进入到你的体内可以待数月或者数日。另外我们考虑如何让这些机器人给药过程中不至于伤害到其他的细胞。 

5微型机器人的未来

我想跟大家强调的一点是未来是无限的,讲到微型纳米机器人,它是一个很小很新的学科,我们对它的研究也不超过15年。我们在动物的身上做了实验,但如果在人的身上做实验,是更加复杂的过程,不光是进行一个简单的导管设备。

我们未来还有哪些问题要解决呢?

现在还存在感知的问题,另外还要解决一些物理的材料问题。但还有一些非常基本的问题,是没有办法解决的。这个学科每周都有新的论文发表,解决现在所出现的问题,但还有很多工作没有做。

我们也依然在跟医生了解,看微型医疗机器人在医学上的应用在哪里,而且也在他们那里拿到一些反馈,看他们现在的医疗难题是什么,我们能为他们做什么。另外,如果能创造出许许多多小型微型机器人就能创造出一些大的不同,我们现在已经把8000个小的微型机器人联系在一起了。大家还看到现在3D柔性打印也变成可能了,这种柔性打印机也为我们做医疗机器人提供了可能。

我们的研究团队正在加大投资力度和科研力度,跟新材料的科学家进行沟通,找到更多的新材料。如果我们再回过一步看医疗机器人领域,实际上在2001年医疗机器人就有了很大的突破,从2001年到现在有16年时间,我们看到商业的成功、疗法上的成功。许多在医疗机器人领域工作的人,将毫无疑问继续推进他们的工作。

在这个过程中也有新的点子和想法,可能一个机器从最初研究到实现商业化最少20年。对我们来讲,使命还非常艰巨,现在有更多微型医疗机器人,有时候要改变技术,有时候要改造机器人的构造。

想法很简单,但要真正实现这个过程,并且要培训外科医生如何更好使用小型或者微型机器人,帮助他们做手术,实际上是更困难的任务。

当然,疾病也是一个复杂的过程,从科学上讲小型机器人也只能是尽自己的一点小力。

研究也需要极大的科研资金的投入,尤其是政府的法律法规的支持,来帮助我们获得更多的关于医疗微型机器人科研方面的投资。毫无疑问,全世界广泛的使用医疗机器人,它将会让更多的病人用更好的方式被做手术,我们也需要找到新的设备把治疗的时间变短,把整个治病的过程变得更加的可负担。这是我们未来研究的方向。

最后一点关于我们未来可能要研究的方面,要说的是,今天世界上大多数人还是没有办法获得高质量或者优质的外科医生,帮助他们诊断自己的疾病。哈佛医学院发现,30%-40%人类疾病都是需要通过外科手术解决。

现在我们的钱都投入到艾滋病、肺炎还有其他疾病,而这些疾病只是全球犯病人数的10%。所以我们必须提供越来越多的微型医疗机器人,让它们协助外科医生自主做手术,解决全球人们所需要解决的医疗问题。作为医疗服务的提供者,必须要把外科手术带给更多的发展中国家,给那些没有机会获得手术的人,给第三世界国家的患者。

未来微型医疗机器人的前景很光明,我们必须把问题想得更深更远,如何能降低治疗的成本,提高整个手术的效率,尤其是如何能够在第三世界去实现这些目标。

微型机器人的神奇旅程

来源:悦智网,作者:Rachel Courtland

在1966年的电影《神奇旅程》中,一个美国实验室的科学家们将一艘名为“普罗透斯”的潜艇和船员缩小到微观尺寸,并将它们注入到一位生病的科学家的血管之中。进入血管之后,普罗透斯发动引擎,通过血流到达大脑,在那里,船员们穿上潜水装备,使用激光枪进行了精细的手术。

从21世纪的角度来看,《神奇旅程》中的好多元素都可以一笑置之。但从微观层面上进行医疗操作这一概念正慢慢走出科幻小说的领域。得益于微细加工和其他领域的发展,研究人员正在将物体的大小和能力推向极限,使它们小到可以穿过人体。

在过去10年左右的时间里,出现了一大批听起来稀奇古怪的设计:由公牛的精子和细菌驱动的微型机器人,形状似海星、一旦受热就会合起钳臂的微型夹钳,能够将DNA运送到细胞的旋转的磁性螺旋线,可操纵的里面装载药物的磁性球,胃酸驱动的微型电机,还有能够通过两片贝壳一张一翕通过眼睛玻璃体的微型扇贝。

这些设计中很多都还停留在实验室设想阶段,但也有一些已经在动物身上进行测试。有的工程师相信,将来有一天,不用外接电源的微小工具将会被用在医药中。“我们最大的影响将会是在卫生保健领域。”微型机器人专家,德国斯图加特马克思•普朗克智能系统研究所人体智能部的负责人梅廷•西蒂(Metin Sitti)说道。西蒂最近与他人一起在《IEEE学报》上发表了该领域的一篇调查报告。

研究者们说,只要有了正确的设计,一个或者一批微型机器人就能够运送一些针对性很强的药剂或放射性粒子,清除血块,进行组织活检,甚至还能建一个支架,让新细胞可以在上面生长。

苏黎世联邦理工学院机器人学和智能系统教授布拉德利•尼尔森(Bradley Nelson)说,这些活动能够帮助拓展当前医药方面的两个趋势:更早地诊断疾病,以及更准确地锁定疗法。“《神奇旅程》就是我们的梦想。”他说。

实现这一梦想需要克服一系列的工程障碍。在微观层面上,机器人操作的几乎每个方面都需要重新思考;供电和行动问题尤为棘手。而且,人体环境为机器人操作带来了另外的限制因素:你要能够追踪一个物体的位置,保证它是无毒的且不会伤害组织,而且任务完成后可以安全降解或离开人体。

“也就是过去几年,我们才刚刚开始处理这些基本问题。”尼尔森说。他还说,现在重点转移到了目前研究者们所掌握的技术能够用来做些什么。

医药领域已经敞开大门欢迎微型化了,现在一些技术已经能够做到不需外接电源就可以穿过人体到达外界。例如,有大号维生素药丸大小的依靠电池供电的器件,可以沿着它在体内前进的路线拍摄食道、肠道和结肠的照片。

2012年,美国食品药品监督管理局(FDA)给总部位于加利福尼亚州雷德伍德城的普罗透斯数字健康公司开了绿灯,批准其推广一个更为小型的可吞咽设备:可以嵌在一片药片内的一平方毫米大小的硅电路。

“这是世界上最小的可摄入计算机。”普罗透斯公司高级副总裁马库斯•克里森(Markus Christen)说。他也很快提到,其作为计算机的功能是有限的。普罗透斯的芯片既没有天线也没有电源。它包含两块电极材料,芯片外的药片包裹物溶解后,电路接触到胃里的胃酸,两个电极就会连接上。5到10分钟后,芯片的电量在1到10毫瓦之间,足以调制一股电流,传输一个特别的识别码,能够被外部的皮肤贴片所接收。

大小方面,普罗透斯芯片的大小为微型机器人大小范围的上限。克里森说,该芯片完全能够帮助病人跟进药物的消化情况,帮助医药公司监测新药测试中临床测试的主题是否严格遵守了规则。

要将机器人做得更小但能力更强,需要创造性的解决方案。马普所的西蒂教授说,最大的障碍之一是供电问题,传统的化学电池技术不太适合微型机器人。他说,若将物体缩小到1毫米以内,“电池的能力将大幅减弱。”

一个替换选项就是使用无线能量输送,例如从人体外部向内部输入无线电波,从而产生电力。但这一方法在小的尺度上操作起来也十分困难。为了捕获能量,微型机器人需要天线,而如果要收集一定量的能量,这个天线不能太小,而且天线必须离能量源较近。

考虑到这些限制,工程师们正在寻找新的方法为微型机器推进等活动提供能量。一个选项是创造一些本质是小型化学火箭的东西,他们可以与人体内的胃酸等物质发生反应,从而四处游走。研究者们也在探索利用生物混合物的方法,控制细菌在其中的游动方向,甚至让它们根据某些信号(例如某种分子浓度的变化)来追踪目标。

某些情况下,一些微型机器人甚至可以在不附带电源的情况下工作。在位于巴尔的摩的约翰•霍普金斯大学,大卫•格拉夏斯(David Gracias)和他的同事开发了微型夹钳——一种五角星形状的设备,一端到另一端的距离还不到500微米。用来制造这些夹钳的材料能够随温度、pH值甚至是酶等环境因素的变化而变化。对温度敏感的夹钳会在感受到人体热量时合起钳臂。如果放置在合适的位置,夹钳臂就能够夹住组织,进行微型组织活检。

这些夹钳能够为那些患有长期炎症性肠病的患者提供一个入侵度较小的检查结肠癌的方法。格拉夏斯说,当今,为了覆盖结肠内壁足够的统计范围,这种检查是通过用镊子提取数十份样本来完成的。未来,医生可以通过管道把几百只或者几千只微型夹钳插入结肠,之后使用磁铁或通过对患者粪便进行筛选将夹钳回收。

根据在活猪身上做的测试,格拉夏斯的团队预测,这些夹钳之中约有三分之一捕捉到了组织。其他夹钳都徒劳无功,因为它们放错了位置或在未触及任何东西之前就闭合了。但他说,这一成本最低以及操作最方便的方法可以产生很大的影响。

“大家一般认为,你要的是一台能够在你的指挥下精确完成外科手术的设备。”格拉夏斯说。而他的策略借鉴了不完美的生物学世界的一些观点。“如果你有很多不完美的设备,你也同样可能达到那一台完美设备所能达到的功能。”

胃肠道算是人体内比较宽松的操作环境。它体积较大,比较容易从外部进入,并且在人体内自动输送物体。探索眼睛、大脑、血管等更为棘手的位置则可能需要更为复杂的微型机器人设计。

一个重大障碍就是机器可能会导致血块。“跟临床医生聊天时,会让他们谈之色变并且再也不想与你交谈的一个话题就是将任何固体放入血流之中,”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校人体用软电子研究的先驱约翰•罗杰斯(John Rogers)说道,“任何在血液中自由漂浮、自由移动的结构都会导致非常严重的后果。”(要了解罗杰斯和他的研究,请阅读本期文章《让你的身体亮起“检查引擎”的提示灯》。)

因此,将微型机器人放置在准确的位置是非常重要的。即使是最复杂的微型机器人,比如说那些能够追踪pH值或温度变化的,恐怕也难以抵挡强有力的血液流。“实际情况是,这些东西在你的体内游不了多久。”苏黎世联邦理工学院的尼尔森说,一个独立的微型机器人可能只能快速、定向地游20微米左右,因此要使设备到达其目的地,大部分路段可能都需要外部引导。

尼尔森研究的目标之一是视网膜。目前,用于治疗视网膜疾病的药物只能注射到眼睛里,然后这些药物会慢慢扩散,但只有一小部分药剂能到达目标病灶。尼尔森说,载有药物的微型机器人可能更能精确地将药物送达,减少药剂的使用量以及副作用。

指引机器人到达正确位置的一个明显可用的方法就是用磁性材料制造机器人,然后在外部通过磁铁来引导它。研究者们已经使用核磁共振机在动物体上进行此种试验。但是尼尔森、西蒂和其他人正在寻找磁力更为温和但控制力更强的电磁配置。

利用磁场来控制微型机器人的活动出人意料地难。“我们仍在学习相关的数学和物理问题。”尼尔森说。他解释道,为了让一个带有机械臂的物体能够以任何方式移动,你需要6个制动器来负责6个层面的自由活动:沿x,y,z轴方向的运动,以及绕着每个轴的方向旋转。当他和同事们找到了能够精细控制一个简单的磁性微型机器人,使它进行5个层面的自由活动的方法时,他们发现需要8个相互独立的外部电磁线圈。尼尔森说,要加上第6个层面的自由活动,需要微型机器人有一个更加复杂的磁力剖面,而不仅仅是一个简单的条形磁铁。

尼尔森的团队可以使用磁铁来控制磁场在10毫特斯拉以下的螺旋形微型机器人,这种磁场与核磁共振机产生的磁场相比微乎其微。“我们可以扭转这些螺旋线,使它们螺旋前进。”他说,就像大肠杆菌通过旋转鞭毛前进那样。今年早些时候,他的团队报告说,他们成功地在实验室中使用带有包裹物的人造细菌鞭毛向人体细胞输送了遗传物质。

尼尔森期待他的磁控制技术以外接电源的方式被医生用于在心血管系统中引导导尿管的一端。但长期来看,他正在探索这种技术与外界的物理连接切断之后可以做些什么。对于他和很多其他研究者来说,机遇巨大无比,如同人体之于复杂多变的微观世界。


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