可以在血液中游泳的微型医疗机器人

credit:chokniti-khongchum/pexels

人们经常说科技的进步会使一切都变得越来越小（电视机除外）。自从手机、电脑、家电等产品首次被开发以来，由于设计和制造技术的改进，它们的体积已经缩小，从而能够制造出更多的微型部件。

但一些科学家将这一概念发挥到了极致，最终目标是将科技带到一个全新的前沿：我们的身体内部。虽然起搏器、动脉支架等很常见，但医学研究人员长期以来一直梦想着制造出能够在我们的血流中游动的小装置，为治愈和诊断开辟全新的可能性。这种机器人的尺寸将小于一毫米，而且通常要小得多。例如，纳米机器人领域的特点是创造大约十亿分之一米数量级的物体。

某个年龄段的人可能还记得1966年的电影《梦幻远航》（Fantastic Voyage），电影中的主角是一个缩小到显微尺寸的潜艇船员，进入一个生病的科学家的身体。年轻一代可能会想到动画片《魔法校车》（Magic School Bus）中的儿童连续剧，在这部连续剧中，弗赖斯女士缩小了同名车辆的体积到一个精确的大小，以潜入一名不幸学生的血管。

虽然医学微型机器人领域不太可能以微小的人为主角，但科幻版本的概念却很好地说明了这个基本概念。微小的机器人，长度只有微米或纳米，可以安装在我们身体的基础设施内，精确地执行医疗任务。小机器人可以游过血管清除危险的阻塞物，或者直接将抗癌药物输送到肿瘤。未来的医院就诊可能包括服用药丸和一点观察，而不是手术。

医生藏在你的血液里

纳米机器人领域的历史可以追溯到1959年物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）的一次演讲，他在演讲中设想了一个世界，在这个世界上，先进的技术使科学家能够对原子（物质的组成部分）进行物理操作。题为“底层仍有足够的空间：进入一个新的物理领域的邀请”，这场开创性的演讲提出了人类可以制造出小到连人都看不见的机器的可能性。

尽管科技的发展需要几十年的时间才能赶上，但科学家们最终开始探索在机器人技术方面他们能做得有多小。事实证明，答案确实很小。今天，研究人员已经制造出了纳米尺度的机器人，比红血球还小。

该领域最早的一篇论文发表于1998年，它提出了一种人造红细胞的设计方案，这种人造红细胞由钻石制成，据称可以向组织输送236倍于人类红细胞的氧气。

从那以后的几年里，科学家们开始着手解决医学微型机器人带来的独特挑战，从如何给它们提供动力到防止身体摧毁它们。虽然我们还没有到微型机器人参与临床试验的地步，但这一领域可能已经接近尾声。研究人员今天说，他们能够在模拟条件下注射、驱动和控制微型机器人。这些机器人看起来不像我们习惯的机器——事实上，许多机器人几乎完全由微小的金属珠组成。但组成的数量可能是巨大的。

机器人的新领域

创造一个能在人体内移动的机器人意味着要面对普通机器人学家无法面对的挑战。对于初学者来说，传统的电池和电机不能扩展到那么小，所以工程师们必须设计出全新的方法来驱动和移动机器人。在身体如此小的尺度上，重力就不再是物质了；相反，微型机器人必须对抗汹涌的血流，对抗静电的推拉。对于一些非常小的机器人来说，布朗运动，或者由热能引起的随机运动，足以打击它们的正常运行。

许多研究人员从自然界中寻找灵感。一些微型机器人使用基于细菌鞭毛的设计来移动。其他人完全通过简单地将他们的机器与活细胞结合，创造出在体内移动的类似半机器人的杂交体，利用了生物学。例如，一篇论文描述了通过将细菌附着在塑料珠上，从而创造出类似微型马达的细菌。不同的微型机器人设计利用体内的酶或葡萄糖和氧气提供动力。这样做的好处是，这种机器人基本上是在自己的燃料中游泳。

另一种在体内移动机器人的方法是使用外力。一些科学家正在探索如何利用磁场移动体内的金属珠。其中一个小组报告说，他们可以通过这种方式控制各种形状的整个小球群，有可能通过人体内部管道操纵它们到达目标。另一个研究小组将微小的金属珠与干细胞结合在一起，然后干细胞就能够通过狭窄的通道，而狭窄的通道代表着血管。

医疗微型机器人

随着研究人员朝着在人体内实际使用微型机器人的方向发展，他们已经测试了一系列潜在的应用。微型医疗机器人可以将药物运送到特定地点，从而提高药物的有效浓度，同时减少其他地方的副作用。医学微生物还可以把抗癌剂，如放射性物质，直接带到肿瘤中，选择性地杀死癌细胞。他们可以从动脉壁上刮去危险的斑块来防止心脏病发作，或者充当支架来帮助神经或血管再生。

另一个进步是，一个来自中国的研究小组报告说，他们能够制造出通过血脑屏障的微型机器人。他们取了一种携带药物的磁性纳米凝胶，并用大肠杆菌的膜包裹。当他们将这种隐蔽的纳米凝胶注射到小鼠体内时，小鼠免疫系统中被称为中性粒细胞的细胞吞噬了这些纳米机器人，误认为它们是入侵的细菌。然后，研究人员能够利用磁场在老鼠的血流中移动含有中性粒细胞的纳米机器人，最终进入老鼠的大脑。研究小组建议，这种技术有一天可以用来治疗脑肿瘤。

迄今为止最小的医疗机器人来自德州大学圣安东尼奥分校的研究人员。这种纳米复合粒子直径只有120纳米，可以由磁场控制，而且足够小，研究人员说它们可以用来推动单个细胞。这个用例还没有实现，尽管它可能很快就会出现。但它包含了费曼最初的设想，即操纵我们世界的组成部分。正如当时的情况一样，底层仍有足够的空间。

公众号ID/Zeroorez93

微博/Lancelottt

作者/Nathaniel Scharping

译者/Lancelot

原文/www.discovermagazine.com/health/researchers-are-getting-closer-to-making-medical-robots-that-can-swim-in

本文基于创作共同协议（BY-NC）发布，文章仅为作者观点，未必代表zeroorez立场