工程師們正在把醫用機器人的大小和功能做到極限。

在1966年的電影《神奇旅程》中，一個美國實驗室的科學家們將一艘名為“普羅透斯”的潛艇和船員縮小到微觀尺寸，并將它們注入到一位生病的科學家的血管之中。進入血管之后，普羅透斯發動引擎，通過血流到達大腦，在那里，船員們穿上潛水裝備，使用激光槍進行了精細的手術。

從21世紀的角度來看，《神奇旅程》中的好多元素都可以一笑置之。但從微觀層面上進行醫療操作這一概念正慢慢走出科幻小說的領域。得益于微細加工和其他領域的發展，研究人員正在將物體的大小和能力推向極限，使它們小到可以穿過人體。

在過去10年左右的時間里，出現了一大批聽起來稀奇古怪的設計：由公牛的精子和細菌驅動的微型機器人，形狀似海星、一旦受熱就會合起鉗臂的微型夾鉗，能夠將DNA運送到細胞的旋轉的磁性螺旋線，可操縱的里面裝載藥物的磁性球，胃酸驅動的微型電機，還有能夠通過兩片貝殼一張一翕通過眼睛玻璃體的微型扇貝。

這些設計中很多都還停留在實驗室設想階段，但也有一些已經在動物身上進行測試。有的工程師相信，將來有一天，不用外接電源的微小工具將會被用在醫藥中。“我們最大的影響將會是在衛生保健領域。”微型機器人專家，德國斯圖加特馬克思?普朗克智能系統研究所人體智能部的負責人梅廷?西蒂（Metin Sitti）說道。西蒂最近與他人一起在《IEEE學報》上發表了該領域的一篇調查報告。

研究者們說，只要有了正確的設計，一個或者一批微型機器人就能夠運送一些針對性很強的藥劑或放射性粒子，清除血塊，進行組織活檢，甚至還能建一個支架，讓新細胞可以在上面生長。

蘇黎世聯邦理工學院機器人學和智能系統教授布拉德利?尼爾森（Bradley Nelson）說，這些活動能夠幫助拓展當前醫藥方面的兩個趨勢：更早地診斷疾病，以及更準確地鎖定療法。“《神奇旅程》就是我們的夢想。”他說。

實現這一夢想需要克服一系列的工程障礙。在微觀層面上，機器人操作的幾乎每個方面都需要重新思考；供電和行動問題尤為棘手。而且，人體環境為機器人操作帶來了另外的限制因素：你要能夠追蹤一個物體的位置，保證它是無毒的且不會傷害組織，而且任務完成后可以安全降解或離開人體。

“也就是過去幾年，我們才剛剛開始處理這些基本問題。”尼爾森說。他還說，現在重點轉移到了目前研究者們所掌握的技術能夠用來做些什么。

醫藥領域已經敞開大門歡迎微型化了，現在一些技術已經能夠做到不需外接電源就可以穿過人體到達外界。例如，有大號維生素藥丸大小的依靠電池供電的器件，可以沿著它在體內前進的路線拍攝食道、腸道和結腸的照片。

2012年，美國食品藥品監督管理局（FDA）給總部位于加利福尼亞州雷德伍德城的普羅透斯數字健康公司開了綠燈，批準其推廣一個更為小型的可吞咽設備：可以嵌在一片藥片內的一平方毫米大小的硅電路。

“這是世界上最小的可攝入計算機。”普羅透斯公司高級副總裁馬庫斯?克里森（Markus Christen）說。他也很快提到，其作為計算機的功能是有限的。普羅透斯的芯片既沒有天線也沒有電源。它包含兩塊電極材料，芯片外的藥片包裹物溶解后，電路接觸到胃里的胃酸，兩個電極就會連接上。5到10分鐘后，芯片的電量在1到10毫瓦之間，足以調制一股電流，傳輸一個特別的識別碼，能夠被外部的皮膚貼片所接收。

大小方面，普羅透斯芯片的大小為微型機器人大小范圍的上限。克里森說，該芯片完全能夠幫助病人跟進藥物的消化情況，幫助醫藥公司監測新藥測試中臨床測試的主題是否嚴格遵守了規則。

要將機器人做得更小但能力更強，需要創造性的解決方案。馬普所的西蒂教授說，最大的障礙之一是供電問題，傳統的化學電池技術不太適合微型機器人。他說，若將物體縮小到1毫米以內，“電池的能力將大幅減弱。”

一個替換選項就是使用無線能量輸送，例如從人體外部向內部輸入無線電波，從而產生電力。但這一方法在小的尺度上操作起來也十分困難。為了捕獲能量，微型機器人需要天線，而如果要收集一定量的能量，這個天線不能太小，而且天線必須離能量源較近。

考慮到這些限制，工程師們正在尋找新的方法為微型機器推進等活動提供能量。一個選項是創造一些本質是小型化學火箭的東西，他們可以與人體內的胃酸等物質發生反應，從而四處游走。研究者們也在探索利用生物混合物的方法，控制細菌在其中的游動方向，甚至讓它們根據某些信號（例如某種分子濃度的變化）來追蹤目標。

某些情況下，一些微型機器人甚至可以在不附帶電源的情況下工作。在位于巴爾的摩的約翰?霍普金斯大學，大衛?格拉夏斯（David Gracias）和他的同事開發了微型夾鉗——一種五角星形狀的設備，一端到另一端的距離還不到500微米。用來制造這些夾鉗的材料能夠隨溫度、pH值甚至是酶等環境因素的變化而變化。對溫度敏感的夾鉗會在感受到人體熱量時合起鉗臂。如果放置在合適的位置，夾鉗臂就能夠夾住組織，進行微型組織活檢。

這些夾鉗能夠為那些患有長期炎癥性腸病的患者提供一個入侵度較小的檢查結腸癌的方法。格拉夏斯說，當今，為了覆蓋結腸內壁足夠的統計范圍，這種檢查是通過用鑷子提取數十份樣本來完成的。未來，醫生可以通過管道把幾百只或者幾千只微型夾鉗插入結腸，之后使用磁鐵或通過對患者糞便進行篩選將夾鉗回收。

根據在活豬身上做的測試，格拉夏斯的團隊預測，這些夾鉗之中約有三分之一捕捉到了組織。其他夾鉗都徒勞無功，因為它們放錯了位置或在未觸及任何東西之前就閉合了。但他說，這一成本最低以及操作最方便的方法可以產生很大的影響。

“大家一般認為，你要的是一臺能夠在你的指揮下精確完成外科手術的設備。”格拉夏斯說。而他的策略借鑒了不完美的生物學世界的一些觀點。“如果你有很多不完美的設備，你也同樣可能達到那一臺完美設備所能達到的功能。”

胃腸道算是人體內比較寬松的操作環境。它體積較大，比較容易從外部進入，并且在人體內自動輸送物體。探索眼睛、大腦、血管等更為棘手的位置則可能需要更為復雜的微型機器人設計。

一個重大障礙就是機器可能會導致血塊。“跟臨床醫生聊天時，會讓他們談之色變并且再也不想與你交談的一個話題就是將任何固體放入血流之中，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校人體用軟電子研究的先驅約翰?羅杰斯（John Rogers）說道，“任何在血液中自由漂浮、自由移動的結構都會導致非常嚴重的后果。”（要了解羅杰斯和他的研究，請閱讀本期文章《讓你的身體亮起“檢查引擎”的提示燈》。）

因此，將微型機器人放置在準確的位置是非常重要的。即使是最復雜的微型機器人，比如說那些能夠追蹤pH值或溫度變化的，恐怕也難以抵擋強有力的血液流。“實際情況是，這些東西在你的體內游不了多久。”蘇黎世聯邦理工學院的尼爾森說，一個獨立的微型機器人可能只能快速、定向地游20微米左右，因此要使設備到達其目的地，大部分路段可能都需要外部引導。

尼爾森研究的目標之一是視網膜。目前，用于治療視網膜疾病的藥物只能注射到眼睛里，然后這些藥物會慢慢擴散，但只有一小部分藥劑能到達目標病灶。尼爾森說，載有藥物的微型機器人可能更能精確地將藥物送達，減少藥劑的使用量以及副作用。

指引機器人到達正確位置的一個明顯可用的方法就是用磁性材料制造機器人，然后在外部通過磁鐵來引導它。研究者們已經使用核磁共振機在動物體上進行此種試驗。但是尼爾森、西蒂和其他人正在尋找磁力更為溫和但控制力更強的電磁配置。

利用磁場來控制微型機器人的活動出人意料地難。“我們仍在學習相關的數學和物理問題。”尼爾森說。他解釋道，為了讓一個帶有機械臂的物體能夠以任何方式移動，你需要6個制動器來負責6個層面的自由活動：沿x，y，z軸方向的運動，以及繞著每個軸的方向旋轉。當他和同事們找到了能夠精細控制一個簡單的磁性微型機器人，使它進行5個層面的自由活動的方法時，他們發現需要8個相互獨立的外部電磁線圈。尼爾森說，要加上第6個層面的自由活動，需要微型機器人有一個更加復雜的磁力剖面，而不僅僅是一個簡單的條形磁鐵。

尼爾森的團隊可以使用磁鐵來控制磁場在10毫特斯拉以下的螺旋形微型機器人，這種磁場與核磁共振機產生的磁場相比微乎其微。“我們可以扭轉這些螺旋線，使它們螺旋前進。”他說，就像大腸桿菌通過旋轉鞭毛前進那樣。今年早些時候，他的團隊報告說，他們成功地在實驗室中使用帶有包裹物的人造細菌鞭毛向人體細胞輸送了遺傳物質。

近期，尼爾森正期待他的磁控制技術以外接電源的方式被醫生用于在心血管系統中引導導尿管的一端。但長期來看，他正在探索這種技術與外界的物理連接切斷之后可以做些什么。對于他和很多其他研究者來說，機遇巨大無比，如同人體之于復雜多變的微觀世界。■

作者：Rachel Courtland