这是先行故事汇的第99期。
今天的故事关于微观世界。
在科技快速发展的今天,微型机器人的出现,开启了人类对微观世界的全新探索之旅。这些微小到肉眼难以辨识的机器人,蕴含着科技创新的巨大能量,让一些学者看到,它们有着用于精准治疗人类疾病的潜力。
在香港中文大学(深圳)的智能微型机器人实验室内,俞江帆正带领学生利用微型机器人展开肺部递送实验,探寻精准治疗良方。
研究肺部递送机器人
探寻精准医疗手段
俞江帆和学生陈辉正对微型机器人问题进行探讨
微型机器人,是机器人工程学近年来的新兴科技,它们被尝试用来攻克癌症、血管疾病等医疗难题。目前,全世界对于体内医用微型机器人仍属于探索阶段。
大小在700微米的小颗粒,就是微型机器人系统的末端执行装置
“其实,在本科毕业申请博士的时候,我就在想,微型机器人是不是可以针对细胞尺度、甚至更小尺度的疾病进行手术,相当于将外科医生‘口服’进体内做诊疗。”带着浓厚的兴趣,俞江帆于2021年来到香港中文大学(深圳),着手微型机器人的研究,“在这里,我们可以与很多医院的医学团队合作,从临床上寻找实际问题。”
研制微型机器人
小小身体大有乾坤
“我们能不能通过改变磁场驱动的角度和强度,让机器人集群的形态有所变化?”第一次的实验,机器人的磁场响应很弱。经过一番思考,俞江帆向学生们提出了自己的想法。
大型机器人,通常是驱动器、控制器和传感器集成在一个器件本体上,而微型机器人因身材过于“迷你”,无法安装这类元器件,所以只能依靠外置系统操控机器人作业。
“微纳机器人因为它的尺度限制,往往是微米级或纳米级,需要磁驱动系统,也就是用一个外部的复杂磁场发生器作为驱动器,来驱动它的运动。微纳机器人就是整个系统的末端执行器。”俞江帆介绍道,“而且由于微纳机器人特小,单个机器人对于组织的病变所能产生影响有限,所以我们需要用到大量的微纳机器人,比如说100万、1000万个,同时载着药物进行递送。那么如何控制这么大量的机器人在体内,至少能以百分之八九十的到达率到达我们指定的目标,这其实是集群控制很重要的一个因素。”
陈辉正在制作微型机器人
陈辉,俞江帆团队的博士研究生,就读计算机与信息工程专业,在领到这项课题后,他开始研究制造进入肺部的微型机器人,而第一步,他需要寻找合适的材料,制作出机器人的身体。
“微型机器人用到体内治疗疾病,要解决可控性和生物相容性,我们的目标是找一种对人体无害,同时磁响应能力强的材料。”陈辉表示。
然而,在阅读大量文献资料后,他们没有寻找到心仪的材料。为激发灵感、寻找突破口,陈辉尝试先从常规材料开始实验。
“四氧化三铁是一个很常见的生物相容的材料,但是在实验的过程中,发现它的磁响应能力很弱。”在实验桌前,陈辉看着眼前的材料,一脸无奈地说。
在不断寻找中,陈辉找到了一种剩磁强度很强的材料——钕铁硼,然而钕铁硼带有毒性,这又令团队陷入了两难。
经过商议后,他们想到了解决方案,利用二氧化硅包裹钕铁硼,阻绝其对人体组织的接触,来执行肺部递送。
肺部递送实验,操控机器人进入支气管分支
“已经进入肺部支气管分支了。机器人有一些出现散落情况,但是它会重新聚集起来,像有一个集群的自发行为。”
几番实验下来,微型机器人磁动力不足的问题得到初步解决,然而对于俞江帆和陈辉来说,真正的挑战才刚刚开始。
“我们遇到很多的困难,比如,最直接的就是,尽管我们的体外实验做得非常顺利,机器人集群操控得也非常顺利。但是一旦进入到体内环境,人体内会不停地分泌大量粘液,这对我们的机器人操作造成很大的挑战。”俞江帆一边查看文献,一边向我们介绍。
向动脉瘤栓塞发起挑战
拓展微型机器人多元应用场景
“这是真实病人的一个血管模型。这些小的颗粒的凸起,其实都是动脉瘤……”
为了让微型机器人能够用于更多疾病治疗,俞江帆团队开启了动脉瘤栓塞的研究。
动脉瘤栓塞实验
颅内动脉瘤是指脑动脉内腔的局限性异常扩大造成动脉壁的一种瘤状突出。目前发病原因尚不明确,一旦破裂出血,极易引发休克、脑梗等症状。然而,当前的医疗手段,并不能很好地治疗这种疾病。
负责该项研究的汪潇朴感慨说:“和医生聊的时候,他就说,现在栓塞手术特别需要靠医生的经验。我们就在想,我们做的磁控微纳机器人是不是可以派上用场。为了使它可控性更高,实验初期,光是筛选配方,比如说一个材料,我们就可能筛出十几种配方。不同的材料,我们也都试了试,后来选定了一两种再做。”
微型机器人的不同形态
俞江帆团队的微型机器人,目前已针对肺部递送、颅内动脉瘤、胃部贴片等疾病领域进行科研探索。随着技术的发展,俞江帆认为,未来的精准治疗必然会有他们的一席之地。
“我一直有一个想法,就是我们能不能为真实的社会、真实的医疗,去贡献出哪怕一点点的力量,我觉得我的学术理想就算是实现了。”俞江帆笑言。
记者手记
记者 / 于源灏 王涛 曹泽东 周一义 温国赞
排版 / 朱珏颖
审校 / 岳丽红 靳阳懿