Brad Nelson教授:那些个子虽小却功能强大微型机器人

　　2018世界机器人大会拟于8月15日至19日在北京亦创国际会展中心举行。大会以“共创智慧新动能 共享开放新时代”为主题，由“论坛”、“博览会”、“大赛”、“地面无人系统展示活动”四大版块构成。 本届大赛汇聚了来自美国、俄罗斯、德国、日本、以色列等全球近20个国家和地区的1万余支赛队和数百名顶尖专家，共计超过5万多名参赛选手同台竞技。

　　在此次论坛中，瑞士苏黎士联邦理工学院教授Brad Nelson进行主题演讲“人类身边的小伙伴：那些个子虽小却功能强大的微型机器人”。

　　以下是演讲全文：

　　今天下午我们已经讲了很久，今天我和大家谈的是另外一个领域的机器人，叫做微型机器人，也会谈到纳米机器人、医疗机器人在我们实验室当中取得的进展。

　　我来自瑞士，一个欧洲中心的小国家，比中国小多了，但是一个非常美丽的国家，欢迎大家到我们的国家徒步。我的大学叫苏黎士联邦理工学院，一共有160多年的历史。我们是一个科技学校，也有很著名的科学家，我觉得非常有吸引力的一件事情就是有很多的团队成员，包括多尺度的机器人实验室团队。既有搞机器人的，也有生物医学工程的，还有纳米技术的、医学的、化学的、物理学的专家，我们的团队当中的人士是非常多元化的背景。实验室做的事情有几个领域：首先是力传感和力学生物学，我们要了解机器人怎么和世界、和环境产生互动，也要理解这种物理的互动。今天还会谈到微型和纳米机器人，包括怎样使用磁力驱动，其实我是一个搞机械的，而不是一个材料科学家，但有一个很重要的领域，就是材料与制造，因为这些对机器人来说是很重要的。我们需要有感应器，这些感应器要放在机器人的身上，所以材料和制造也是很重要的。

　　刚才说过，医疗机器人是一个成功的故事，我看到了因特网上的广告。这是一个医院的宣传语，看到的是一个外科医生，可以看到这个医生正在利用机械臂进行外科手术。现在不少医院已经开始使用机械臂了，比如这是达芬奇机械臂，这个领域医疗机器人的发展非常迅速，已经把机器人作为医院的卖点了，我的母亲和亲戚在做手术的时候都接受过机器人的设备。泰勒沃森是约翰霍普金斯大学的教授，也是医疗机器人非常重要的奠基人，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二十一世纪手术和介入医学的操作方式，正如计算机技术改变二十世纪的制造业一样，我觉得说得非常有道理。这不仅仅是机器人的动物外科手术的行为，而且也可以在更广泛的空间当中改进治疗方案等等。中国在外科机器人商用方面做得非常成功，医疗机器人看起来利润也是不错的。

　　更多地给大家介绍下微型机器人，早在多年前科幻作品就提到了这一点。1966年好莱坞电影《神奇旅程》当中一艘潜艇只有红血球那么大，注入到了患者的身体里面，工作就是拯救病人，建议大家看一看这个电影。我们从好莱坞电影当中获得了很多启发，好莱坞是有一些工程师没有的优势，因为他们不用担心物理学的问题，可以随意想象，也不用担心制造这些产品，我们要想做微型机器人必须要考虑这些问题。因为这种机器人并不廉价，需要很多的公共投资，我们在微型机器人开发的里程上非常关注未来的商业潜力。我们经常会思考的是我们的商业计划，多少人可以从中受益，也要考虑到这个领域的专利持有情况，最后制定一个可行的商业计划。需要所有的一切因素都整合在一起，最后才能开发出微型机器人。

　　要做微型机器人的话，怎么让它移动呢？比如把微型机器人放进一个人的身体当中是要用电池吗？我们要做的一种方式就是磁力驱动，核磁共振的磁性驱动其实是一种非常有效的方法，这里也是有两种方法：如果有一个磁铁就像铁一样，它的磁场的力是有大有小的，意味着移动的过程当中磁力的大小是不一样的。如果对它进行转动的话就会产生磁力矩，通过这种方式可以移动一些东西，这也是我们所做的原型，也是第一次将这种小的磁性设备，比如毫米级别的磁性物体以非常精准的方式移动。

　　这个东西到底可以做什么呢，身体当中可以用在哪里呢？比如可以用在眼睛当中，因为在做眼科微型手术也是非常困难的。最开始我们看的是眼部红斑变性疾病，失明率可以达到将近10%。当然，之前大多数对这种疾病的治疗是在玻璃体内进行注射，我的奶奶之前就失明了，所以如果能够有这样的治疗方式也许就能够恢复光明，现在很多人也有这样的潜在需求。这是给电视台做的微型视频，可以把这种东西注射到眼部，然后进入视网膜该去的位置。这几年我们不断开发小型磁性控制装置，可以应用在小型动物当中，甚至有些1/3毫米大小的东西可以非常准确地移动。目前我们已经在动物身上做了实验，甚至在头发那么细的级别进行准确的移动，也在活体动物上面做了实验。

　　除了眼部手术，还可以应用在其它领域，比如治疗心脏疾病，心脏还是有很多事情可以做的。我们不可能把微型机器人注射到人体内，因为在体内有太多的血液流动，但可以做的是通过利用一些小的显微镜进行操控，例如治疗心律不齐这样的疾病，也就是可以对整个心脏的系统进行重新设置。现在我们已经做了一些临床的实验，可以看到这是一个心脏导管，输入心脏以后可以将它直接导入心脏里面，甚至可以触碰各个地方来看这种心脏的信号是否是正常能够产生的，这种技术现在也已经在临床开始使用了，外科医生坐在外面操控机器指导这个设备为病人做手术。这里其实不用自己控制这个导管，远程就可以控制，这也是未来医疗机器人的发展方向，外科医生甚至不用在病人旁边就可以操纵手术。

　　看一看这种磁力的内窥镜，这是和香港中文大学合作，也是一种非常小的磁力导航内窥镜，可以检查肠胃。现在这个项目仍然在进行的过程当中，我们已经和香港的外科医生从2016年到2017年开始合作研究。很多和红细胞大小的机器人可以发现疾病、治疗疾病，看一看如何能够控制它的动向，因为它非常的小，所以我们还要重新思考它们的使用情况。

　　作为工程师，要想去突破的话，很多时候要去观察自然。通过观察细菌，可以发现它的游动是非常有规律的。比如伊波拉病毒其实已经有几百年的时间了，如果在显微镜下去看的话就可以看到它的游动规律，就像一个小尾巴一样。这是自然教会我们的东西，通过这种转动前行的方式可以很灵活地移动，可以将这样的移动方式应用到纳米技术当中。

　　这是人造细菌实验，通过这种东西可以游入各种液体当中，但可以携带一些东西。我们是在2012年做了这个实验，也是一个非常小型的机器人，其实和人的头发粗细差不多。这些技术都是我们研究出来的，并且我们也要更好地研究它们的移动方式。当然，我们希望这些东西能够完成一些任务，绿色的周围是一些口腔细胞，可以看到还有一些小的细胞，右边还有一些肾脏细胞，甚至可以在这些小型机器人身上附着一些DNA，然后把DNA转到这些细胞当中。很多小型机器人甚至可以穿越皮肤，甚至把8万多个小型细胞注入到大鼠当中，然后对它进行追踪，注入活体当中进行移动，然后看一看会有什么问题。

　　这些微型机器人其实很难设计的，灵活度也较差。这里显示的是布氏锥虫的生命周期，可以造成一些人类的疾病，甚至会进入大脑造成死亡。通过这些寄生虫也能够获得一些灵感，可以了解它的游动方式，把它应用到一些药物和治疗的方法当中。我们甚至也可以用它制作一些聚合物，这些聚合物能够帮助小的微型机器人更好地移动，虽然还有很多选择和探索的空间。我们需要选择这种磁性的物质，所以在做微型机器人的时候物料选择也要有更多的研究。

　　现在微型机器人主要应用在大型手术中，未来甚至可以越变越小，可以用在导管里面，也能够达到细胞和组织的级别。现在我们也在和其它机构做这样的研究，包括这些小型机器人生物适用性的问题，方向还是没有问题的，我们也对未来的前景很兴奋。

　　未来的发展方向是怎样的呢？这种微纳米机器人现在我们已经把它应用在了更多的活体当中，需要理解这些微纳米机器人和环境的互动方式，所以需要了解周围的物理和化学环境。现在微纳米机器人目前还没有应用在人类的身体上面，但在未来五到十年当中这种技术一定会应用在人体当中，比如心脏和肠胃。之后我们也要拭目以待，看一看谁会最开始将这些技术应用在人体当中，什么时候这些技术会真正应用在人体上面。

　　当然还有很多基础工作要做，这是个非常令人兴奋的领域，包括这种传感的技术、规划的技术，目前还有很多问题需要解决。我们也和很多的医生共同合作去做一些应用，包括手术室的这些手术到底该怎么做，这些都是非常重要的问题，聚合物和机器人之间如何进行互动、3D纳米技术也带来了巨大的机会，使得我们可以在这个级别作出更多的事情。物料也是非常重要的，很多材料工程师每天在帮助我们选取最好的、适用于这个领域的材料。

　　最后讲一讲医疗机器人这个领域会有什么发展，目前在中国人们的医疗服务接受度明显是不够的，未来会有更多的医疗需求，现在医疗机器人也有很多成功的公司，人们现在也看到了这个领域的未来，包括强生这样的大型公司都在进入这个领域，还有传统医疗的公司也看到了这个领域的前景。当然，要想将想法变成现实还是需要很多的时间，所以要把机器人输入到人体当中确实是一个非常复杂的过程，并不像机器人扫地那么简单。与此同时，这个机器人要想进行使用的话需要通过美国FDA和中国SFDA的审批。

　　当然，这个领域失败的例子也有很多，机器人在过去的几十年当中的能力也是一直被我们低估的。我们知道实际手术当中的做法是非常复杂的，很多时候我们对实际任务的理解总是想得太简单了，而且很多解决问题的时候方式也是有问题的。这些工程师很多时候想事情的方式和医生还是不太一样的，但现在我们和医生的沟通也越来越多，保证能够对这些手术有更好的了解。实验室到真正的使用必须要一步一步地做，不能在手术室说有一个非常好的机器能够在人身上使用，这是不可能的，从实验室到人体的试用需要大量的时间，必须要一步一步去走，所以学术当中每一点进步都是非常重要的。商业模式也是非常困难的事情，和传统制造服务机器人是不太一样的。

　　机器人手术当中，我们希望它能够在全世界进行应用，不希望只是在一部分地区使用。全世界有80亿人，现在至少有50亿人用不上这种手术的资源，也就是说有50亿人如果有疾病的话根本无法接受手术，这也是未来医疗机器人要解决的问题。这个领域有很多的事情可以做，但从医疗机器人的角度来说，它的成本必须大幅度下降，要把它做得更为便宜才可以，未来成本肯定是会降下来的。最后就是对外科医生的培训和远程的系统操作也是非常重要的，比如一些心脏手术如果能够远程控制的话就更好了。

　　总体而言，随着这项技术走出实验室，能够进入真实的世界和手术当中，我们必须要降低它的成本，把流程做得更为简单，速度也会更快，这些要求都是非常现实的。