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费曼狂想曲:能够进入体内的「外科医生」

作者:陈彩娴
2022/05/26 14:33

1959年,诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼(Richard Feynman)在加州理工学院作了一场题为“There is Plenty of Room at the Bottom”(底层研究仍有广阔天地)的演讲,首先设想了体内微型机器人的可能性。

在费曼的猜想中,这类微型机器人依靠微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)驱动,能够进入体内实施手术。当时,费曼说:「如果我们能够吞下一个外科医生,那么很多复杂的手术都可以变得很有趣、很简单。」

或许是费曼的影响力太大,十年后,科研界还未开展研究,美国导演 Richard Fleischer 就将费曼的设想拍成了经典的科幻电影,《神奇旅程》(Fantastic Voyage)。电影中,5名医生被缩小成原体积的几百万分之一,被注射进一位脑血管遭到破坏、性命攸关的患者体内,经过一系列冒险,最终成功找到出血点,及时挽救了病人的生命。

但,能够进入人体的微型机器人,只能是一个幻想吗?答案显然存疑。

自费曼提出「体内外科医生」的概念以来,科学家们便被这一想法所吸引、激励,投入到微型机器人的研究中,并取得了许多不错的成果。科学家们畅想着,在未来,机器真的可以进入人的体内,实现靶向治疗、靶向给药,帮助治疗肿瘤等重大疾病。

1、「史莱姆」机器人

前段时间,一个叫做「史莱姆」(Slime)的磁控粘液微型机器人在 New Scientist 上火了。

它是由磁性粘液材料制作而成,可以进入体内,取出意外吞噬的小器件。4月1日一发布,立即在科技社区引起巨大轰动,网友纷纷惊掉下巴,浏览点击率迅速超过十万、百万、千万:

费曼狂想曲:能够进入体内的「外科医生」

与我们常见的机器人不同,这个机器人无论是外形、动作与能力,都更像一个「怪物」,与我们所想象的由刚体硬件打造、五官身躯酷似人类的「机器」「人」有很大的出入。

根据 Demo 显示,它的外形像一坨乌黑的面团,没头没脸、没手没脚,身躯柔软,外形变化多样。

但虽然其貌不扬,这个「史莱姆」机器人却具备多种奇特的功能,可以变化自己柔软的身躯,在穿越窄缝、修补断开的电线,还可以在人体的消化道内以吞噬的方式取出误食的电子零器件。

即使将它切成几段,再重新拼接,它也有「自愈合」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,也凭借其酷炫的未来感与潜在的强大力量,让「体内微型机器人」进入大众的视野。

「史莱姆」机器人的研发成员之一、香港中文大学张立教授介绍,「自愈」能力也是当前软体机器人领域的热门研究方向之一,主要体现为对不同环境的高适应性。而「史莱姆」机器人的强大之处,不仅在于将它切断后、它可以自愈合,还在于将它放到液体中也能保持完整形状,甚至在空气、固体环境中也能穿行无阻。

费曼狂想曲:能够进入体内的「外科医生」

图注:香港中文大学机械与自动化工程学系教授张立

事实上,近年来微型机器人的研究成果层出不穷,如由微电机驱动的、大小如飞蝇/甲壳虫的飞行机器人。而与它们不同,「史莱姆」机器人的独特之处是在非牛顿液体材料中加入磁性粉末与磁性颗粒,从而实现磁场控制,使其行动灵敏、甚至可以自由变形。

而「史莱姆」机器人所呈现出来的「自愈」能力,也是依托材料本身的特性,加上外界的磁性引导,在「身体」切断后由相距较近的高聚物相互作用,重新融为一体。

需要注意的是,「史莱姆」机器人目前没有自主移动的本领,它的移动伸缩靠的是外部磁场控制里面的钕磁铁(可以理解为「强力小磁球」)。

「『史莱姆』机器人本身没有固定的形状。它是粘液状的,加了磁场后,它会对磁场作出响应。你将磁铁由左往右移动,它就会随着磁铁从左往右。受磁力的大小,它很容易产生形状的变化。例如,如果有人不慎误吞有害元件,把它变成一只手、包裹抓取。」张立向AI科技评论介绍。

这也是张立所领导的先进纳米材料与微型机器人实验室(Advanced Nanomaterials & Microrobotics Laboratory,ANML)第一次制作磁性粘液机器人。此前,ANML曾制作过许多不同类型的微型纳米机器人,包括3D技术打印的仿生昆虫机器人,均是基于磁场进行远程操控,「但像『史莱姆』机器人这样的粘液状、有如此大变形的,可以像大象的鼻子一样卷起来的,还是第一次。」张立谈道。

更令人惊叹的是,该工作的第一作者、ANML实验室在职博士后孙猛猛从加入ANML、开始研发到发表文章,仅用了半年时间。

费曼狂想曲:能够进入体内的「外科医生」

图注:孙猛猛博士

「这主要是因为孙猛猛原先在哈尔滨工业大学读博(师从谢晖教授)时就已经有一些想法。过来后,借助我们课