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专访Brad Nelson:那些个子 虽小却功能强大的微型机器人

发布时间: 2018-09-20 10:52   作者: 熊安迪   来源: 机器人产业

 
“机器人是一个涉及多维度专业的科技领域,微型机器人更是如此。不仅需要机器人学的知识,还需要工程学、计算机科学、材料科学、生物医学等方面的相关知识。”Brad Nelson道出了微型机器人所涉及专业的多元性。
瑞士苏黎士联邦理工学院作为一所拥有160多年历史的科技院校,已经培养了很多杰出的科学家,也为Brad Nelson的研发团队提供了强大的支撑。Brad Nelson的团队在实验室内所做的事情包括力传感和力学生物学在微型技术中的运行机制。人们知道机器人需要与现实世界产生交互,但微型技术中的交互却很少为人所理解。Brad Nelson表示:“我们所做的就是尝试去更好地理解这种交互,并对此进行建模和描述。”
他还指出,在微型机器人中,磁力学是很重要的一点,包括如何使用磁力进行驱动。此外,材料与制造也是制造这类机器人的关键。大型机器人上能够装配发动机、传感器等多种装置,但微型机器人体积非常小,必须从根本上思考所使用的材料及其之间的相互作用。 
 
机器人的应用改变医疗的方式
 
微型机器人的应用在医疗领域中最为先进。在过去10年中,医疗机器人的发展是非常成功的。
“现在全球不少医院已经在使用机械臂,有超过300万个手术是通过达芬奇机械臂完成的。”Brad Nelson告诉记者,他在网上看到过不少以机器人和机器人技术为卖点的医院广告。“在西方,通过机器人进行手术已经比较常见,并且正在进一步普及。”可以说,医疗是一个前景广阔的机器人应用领域。
而这种普及不仅限于机器设备。约翰•霍普金斯大学的Russ Taylor教授是医疗机器人非常重要的奠基人之一。他曾经说过,“人类临床医生和基于计算机技术之间的协作将从根本上改变21世纪手术和介入医学的操作方式,正如计算机技术改变20世纪的制造业一样”。Brad Nelson对这句话也深表同意。他说:“机器人和计算机将改变医学的方式。机器人除了对人们进行手术之外,还能够采集医疗信息,跟踪诊断结果,改进治疗方法等。”
医疗机器人领域已经取得了不少成就。商用的外科机器人主要涉及骨科、神经科、心脏病科、肠胃病科和肿瘤科。中国在开发医疗机器人方面也非常活跃,已经有了很多商用上的成功案例。“医疗机器人技术往往具有很高的利润率,”Brad Nelson表示。
 
微型机器人个子虽小但功能强大
 
早在多年前,科幻作品就探讨过微型机器人。科学界也从相关的科幻电影当中获得了许多灵感上的启发。但科幻电影不用顾及物理学和现实世界,也不用担心制造过程中的材料技术,可以进行随意的想象,而研发人员在做微型机器人时却必须考虑这些问题。
微型机器人领域的研发比较消耗金钱,需要很多对该领域的公共投资。因此,需要确保在研发微型机器人的过程中,这个领域具备未来发展的商用潜力。如Brad Nelson所言,在研发人员开始进行微型机器人研发之前,需要思考自己的商业计划,综合考虑各项情况。
个头小,是微型机器人最直观的特点。但它们与常规大小机器人之间的差异远不止于此。说到这一问题,Brad Nelson主要谈到了三点:
“在微型机器人的研发中,首先要考虑的就是如何使其移动。如果将微型机器人放进一个人的身体当中,使用发动机或者电池进行驱动是相当困难的。我们能够使用的一种方式就是磁力驱动。在缓慢变化的磁场中,人们会非常安全和舒适。关于磁力有两件事需要了解。一是随着磁场的增强和减弱,可以在类似铁的磁体上创造磁力,使它们沿着一定的轨迹移动。二是可以通过旋转磁场来转动磁体,如同指南针中的指针,通过在小磁体上产生力和扭矩,使它们在人体中移动。微型机器人是在磁场环境下进行操作,这是与常规大小的机器人的区别之一。
“第二点差别是它在制造过程中所使用的都是如同计算机芯片一样体积非常小的部件,主要是半导体材料。
“第三点差别是它可以应用于生物成像技术,使人们清晰地看见一些肉眼难见的情况。”
他兴奋地表示:“我们的研发首次展示出,可以采用毫米级的小型磁性设备并在3D空间中非常精准地移动它们。”这也是微型机器人技术首次到达这种级别的精确度。
 
 
 
微型机器人主要应用于医疗领域
 
医疗领域中的机器人应用不再仅限于常规型的机械臂。微型机器人也可以在这里大展拳脚。Brad Nelson介绍了其中几项已经取得了进展的应用方向:
“首先,微型机器人可以应用到眼科手术中。视网膜的结构非常精细,在眼部进行微型手术是一项非常艰巨的任务。因此我们考虑用微型机器人治疗眼部疾病。其中一种疾病叫做眼部黄斑变性疾病。在发展中国家和发达国家,该疾病是失明的主要原因,而且几乎10%的人口都会患此病。但幸运的是,大约10到15年前开发出了一种治疗方法,将药物注射到眼睛中,能够控制这种疾病的发展并且保持视力。很多人能够从中受益,也有这样的潜在需求。这也成为了我们在眼部疾病治疗中使用微型机器人的动机。微型机器人可以被注射进入眼睛,在眼部游动到视网膜,然后直达变性的源位置,并非常精确地释放药物。这种方法有很多优点,因此这几年我们不断研发磁力操纵系统,也在小型动物身上进行了实验。我们开发了尺寸约为1/3毫米大小的微型机器人,将它放入细小的针头中,能够不带异物感地注射到眼睛中,并且可以进行发丝级别的精细移动。
“它也可以应用在心脏疾病的治疗上。微型机器人无法被注射到心脏中,让它在心脏中游动,因为心脏部位有太多的血流和物理阻碍。我们可以做的是采用导管,然后将导管的尖端磁化,使这个尖端成为类似微型机器人的存在,从而利用技术使导管在心脏中移动。在心脏疾病方面,我们正在做的是治疗心律不齐。我们已经做了一些临床实验,导管可以直接导入心脏里面,甚至可以触碰各个地方以判断这种心脏信号的产生是否正常,并且使心脏恢复正常的跳动节奏。外科医生无需在患者旁边就可以远程操控机器为其进行手术,这也是未来医疗机器人的发展方向。
“类似的还有微型磁力驱动内窥镜,可以用来检查肠胃。”
Brad Nelson团队已经能够研发出这样的技术以及能够使物体发生移动的方式,但他们所希望做的不仅限于此,他们希望微型机器人还能够执行其他的任务。他们进行了一些实验,发现了微型机器人还能够应用于基因转染。“在培养皿中,特定的目标细胞被口腔细胞样本包围着,左边还有肾脏细胞的样本。微型机器人可以被驱动,穿梭在这些细胞中并触摸单独的细胞。我们发现,可以将DNA附加到这些机器人身上,当触碰到每个单独的细胞时,DNA会被转移到细胞中。我们可以选择我们需要的细胞,并通过微型机器人将我们所需要的基因直接传递给该特定细胞,从而实现基因转染。”
Brad Nelson表示,研发人员通过微生物也能够获得一些微型机器人的灵感。
很多微生物,比如布氏锥虫这种寄生虫,它们很柔软,能够改变自己的形状。它们能变成长条的形状以便游动,在无需游动的时候又保持短粗的形状。根据它,可以想象一种可以在某种情况下游动的装置,然后可以触发它使它停止游动,并将药物在特定的位置释放出来。理想的微型机器人也都是柔软、灵活的,能够根据环境做出不同反应,改变自己的外观。温度、光照以及对诸如细菌的席位感应等条件都会对它们产生影响。
“我们已经能够证明,现在使用一些内部含有磁珠的特定智能聚合物,并照亮这些聚合物,微型机器人可以实现打开和关闭,移动和游动,以及调整至一个不会随意移动的稳定形态。”Brad Nelson由此道出了材料选择在微型机器人的研发制造非常关键的重要性。“微型机器人所使用的材料需要经过严格的选择。磁性材料和聚合物材料都需要具有生物适应性,不会产生有害的副作用。”
 
微型机器人的未来发展方向
 
当前微型机器人研发的重点是将从它们应用到生物体上,并理解它们和环境的互动方式。
现在微型机器人还没有真正应用在人体内。但Brad Nelson认为,在未来5到10年中这种技术一定会在人体内得以应用,辅助进行药物治疗或者是疾病治疗,尤其是在脑疾病治疗和心脏动脉治疗等方面。
微型机器人在医疗领域应用的研发也正在进行激烈的竞争,比一比谁能第一个用微型机器人成功地治疗人类。“机器人在医疗领域的广泛应用只是时间问题和对传统观念的突破问题,”Brad Nelson表示。
微型机器人在医疗中的应用是为医生服务的,很多医生都在寻找相关的临床应用。但实际手术中的操作是非常复杂的,很多时候,研发者对实际的手术任务总是想得太简单了。工程师和医生思考问题的方式也有所差别。Brad Nelson告诉记者,对医生而言,机器人材料的安全和生物兼容性以及机器人本身是否会伤害到病人是他们最大的担心。因此,研发人员需要加强和医生的沟通,以保证能够对手术有更好的了解。对研发者而言,真正了解手术如何进行,手术室如何运行,以及能否将微型机器人系统整合到手术之中是非常重要的问题。从实验室走向真正的落地应用的过程必须循序渐进,并且需要大量的时间进行试用。
在微型机器人上对聚合物和柔性材料的使用,其重要性如同它们对于柔性机器人一样。3D纳米打印的出现也为这个领域带来了变化,使制造的结构规模达到了从未预想到的规模级别。
Brad Nelson还特别指出了微型机器人在中国医疗中的发展潜力。“大量的人口意味着对医疗服务的大量需求。而机器人也许是进行治疗的方式之一。医疗机器人技术已经取得了一些进展,而且利润空间很大。”
很多传统医疗公司看到了这个领域的前景。但将想法变成现实还是需要很长的时间。因为将机器人注射到人体中确实涉及到很多非常复杂的问题。如果出现差错,并不像扫地机器人出现差错时那么容易进行处理。
微型机器人在医疗领域的应用必须通过所有医疗器械相关法规的审批,比如得到中国CFDA(国家市场监督管理总局)认证、美国FDA(食品药品监督管理局)认证或者欧洲CE认证。这需要花费很多的时间和资金,并且需要有远见才能实现。
此外,微型机器人的商用也是一道难题。Brad Nelson表示:“它和传统工业机器人和服务机器人是不太一样的。我们希望这种通过机器人进行手术的方式能够在全世界进行应用,而不仅局限于一部分地区。因此,它的成本必须大幅度下降。对医生的培训也是非常重要的,复杂的流程必须得到简化,从而使得医生能够更快速地学习,然后进行远程操作,最终帮助更多的患者治疗疾病。”
 

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