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未来医疗的奇特法宝:穿肠过肚微型机器人

在1966年的电影《神奇的旅程》中,美国一个实验室的科学家将一艘名叫“变形虫”的潜水艇和其人类成员压缩到了微型大小,然后又将这个设备注入到了生病

在1966年的电影《奇特的旅程》中,美国一个试验室的科学家将一艘名叫“变形虫”的潜水艇和其人类成员紧缩到了微型巨细,然后又将这个设备注入到了患病的科学家的身体内。在身体内,发动机推动“变形虫”穿过血管进入了大脑,在那里,潜艇的成员穿上了潜水设备,并运用激光枪进行了准确的外科手术。 从咱们21世纪的视角来看,《奇特的旅程》简直是一部单纯到可笑的电影;可是,在微观标准上进行手术的概念正在从科幻走向实际。多亏了微制作等各项技能的开展,研讨人员正在将医疗设备越做越小,未来有望让这些医疗设备小到能够穿过人体。

在大约十年前左右,一个想入非非的规划呈现了:运用公牛的精子、细菌或是海星状的微型钳(能够在温暖的当地让旋臂绕轴旋转)驱动的微型机器人,能够将DNA运送到细胞的旋转磁性螺旋,可操控的填充有药物的磁性球体,胃酸供能的微电机和能够摇动着穿过眼镜玻璃体的“微型扇贝”。

现在这些幻想大多仍是试验室的概念和幻想,但也有一些现已开端在进行动物测验了。一些工程师也信任这些小东西终有一天会被应用到医药职业之中。“咱们最大的影响将会是在医疗保健职业。”微型机器人专家Metin Sitti说,他是德国Intelligent Systems的马克斯·普朗克研讨所物理智能部分的负责人。

研讨人员说,经过运用正确的规划,一个微型机器人(或叫机器虫)能够用来运送针对性很强的药物或放射性块、铲除血液中的淤结、进行安排活检或许制作一个新的细胞能够成长其上的支架。

这几类活动能够协助扩展医药职业两个现有的趋势:前期疾病诊断和更准确的靶向医治。苏黎世联邦理工学院机器人和智能体系教授Bradley Nelson说:“愿望是完结《奇特的旅程》。”

要完结这个愿望,就意味着要战胜一系列的工程学上的妨碍。在微观尺度上,机器操作的简直每一个方面都需求从头考虑,功用和运动方面的问题特别扎手。而要在人体内的作业又会带来额定的约束:你需求追寻物体地点的方位,还要保证这些物体是无毒无害的,而且还要规划成可无害降解或许在使命完结后能脱离身体。

“我想应该要不了几年,这一范畴就将能够处理一些根本的问题。”Nelson说。现在,他弥补说,问题的焦点变成了技能人员能够运用手中完结怎样的作业。

医学正在拥抱小型化,而现在一些技能也使得机器能在不需求外部操控的情况下穿过人体。比方说,一个电池驱动的药丸巨细的机器人能够在穿过食道、肠道和结肠时拍照图画。

而在2012年,美国食物和和药物管理局为总部建立在加利福尼亚州红木城的Proteus Digital Health公司打开了绿灯,使得其更小的可吞咽技能能够向市场推广,他们的产品能够讲一个1平方毫米的硅电路嵌入到一个药丸中。

“这是国际上最小的可消化的电脑,”Proteus的一位高档副总裁Markus Christen说。接着他指出其核算才干是很有限的。这个Proteus芯片既没有带着天线也没有带着电池。相反,其包含了两个电极资料,当芯片周围的药丸降解时,电路将和胃中的胃液相触摸,然后完结两个电极间的电导通。只需求5到10分钟,芯片就将获得满足的能量(1毫瓦到10毫瓦之间)对电流进行调制,然后就能像贴在外部皮肤上的设备发送仅有的识别码。

Proteus的芯片仅仅处在微型机器人职业的上游。这个芯片现已捉襟见肘的,Christen说,满足协助患者追寻药物的耗费,而且协助制药公司在测验新药时监督临床试验中药物是否遵从规划。

要将物体做到更小更强壮将需求更有创造性的解决方案。其间做大的阻止是功用问题。小型化对传统的化学电池晦气,马克斯·普朗克研讨所的Sitti说。当设备的尺度低于1毫米时,“电池的容量将会急剧下降。”

一个可选项是运用无线电波来进行无线充电,这样能够从体外给设备供给电力。但这种办法在尺度变小后也变得很困难。为了搜集能量,微型机器人需求某种办法的天线,而且天线还不能太小,不然也搜集不到满足的能量。别的,其还应该和供动力坚持满足近的间隔。

鉴于这些约束的存在,工程师们也在寻觅新的能量搜集办法,比方从推动活动中搜集能量。比方选用化学火箭式的推动器,其能够经过和人体内的液体(如:胃酸)发生反响进行推动。研讨人员也在探究用生物混合效果能做出什么效果,如运用细菌来驱动机器乃至能够让细菌盯梢特定的信号运动,比方追寻特定分子的浓度改变。

在某些情况下,乃至还或许做到没有任何板上能量源。约翰霍普金斯大学David Gracias和其搭档开发出了一种微钳星型设备,这种设备两头之间的尺度小于500微米。其“钳”能够用能对环境要素(如:温度,PH值乃至酶)做出反响的资料制成。对温度灵敏的钳臂在暴露在身体热源的情况下会封闭。假如放置恰当,其臂将严密环绕安排进行微型活体检测。

这种钳子能够为缓慢炎症性肠道疾病患者供给一种微创式的结肠癌查看办法。Gracias说现在这样的查看需求服用数十个带夹子的样本,这样才干获得杰出的计算掩盖。相反,医师能够经过管子注入成百上千个微型夹子到结肠之中,然后经过患者的粪便进行检测。

依据在活猪身上的试验,Gracias的团队估量大约三分之一的微钳捕获到了安排。其它的并没有获得效果,由于它们的运转走错了方向或许还没来得及挨近任何东西。但他说这种办法能够最大化削减本钱,而且还利于制作,力气将会很强壮。

“典型的主意是,你有一个设备,然后你能准确地引导其完结外科手术。”Gracias说,他的战略是借用了生物国际不完美的一页,“假如你有一大堆完美的设备,你或许将能够完结和一个完美的设备相同的功用。”

胃肠道是人体内一个较为轻松的作业坏境。其空间相对较大,也比较简略从外部进入,而且其主动会将物质送出体外。可是假如要勘探眼睛、大脑和血管等更杂乱的方位,也需求更为杂乱的微机器人规划。

一个潜在的妨碍是机器人或许会引发血栓。“你能够和外科医师谈一谈,医师感到最扎手的问题而且不想议论的问题之一便是把固体的东西放到血管里边。”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校身体用软电子器件前驱John Rogers说,“这会给任何自在活动的结构带来十分严峻的结果。”

所以准确放置微型机器人是很要害的。由于即使是能够追寻PH值或温度改变的强壮的微型机器人或许也无法反抗血管中强壮的流量。“事实上,这些东西并不会在你的血管中游动很长间隔。”苏黎世联邦理工学院的Nelson说。一个主动化的微机器人或许只能快速定向运动20微米左右,他说,所以要让这些设备抵达指定方位,很或许还需求外部辅导。

Nelson的一个方针是视网膜。今日,用来医治视网膜的药物现已能够直接注射到眼睛里,药物会在眼睛里渐渐分散,终究只要很少一部分能抵达其方针方位。而微机器人能带着这些药物抵达指定方位,然后削减了由此发生的副作用。

外部引导机器人的一个显着的办法是运用磁性资料制作这些机器人,然后在外部运用磁场对其进行操控。研讨人员现已运用核磁共振机在动物身上进行了试验。但Nelson,Sitti和其他研讨人员正在研讨怎么运用更弱小的电磁场完结更强壮的操控。

事实证明,用磁场来移动微机器人是十分困难的。“咱们仍还在了解其间的数学和物理机制,”Nelson说。要以任何办法移动一个带有机器臂的物体,你需求6个致动器来完结6个自在度:x,y,z轴方向上的移动,以及绕着各轴的旋转。当他和他的搭档总算找到能够操控简略的磁性微机器人的五个自在度的时分,他发现他至少需求8个独立的外部磁场线圈。Nelson说,加上第六个自在度,那就需求微型机器人具有比简略的磁棒愈加杂乱的磁场概括。

Nelson现在能够运用磁场强度小于10毫特斯拉的磁铁来操控螺旋微机器人,这个磁场强度只要核磁共振机磁场的一小部分。“咱们能够改变这种螺旋和让它们做螺旋状运动或许行进。”他说,这和大肠杆菌的鞭毛驱动办法有些相似。本年早些时分,他的团队陈述说他们现已在试验室中成功运用这些人工细菌鞭毛驱动的微型机器向人类细胞中运送遗传物质。

短期内,Nelson将寻觅一种较简略的办法给医师运用的磁控技能,能够协助医师引导导管穿过心血管体系。而在长时间上,他将探究在没有外部操控的情况下的各种或许。关于他和许多其他研讨者来说,或许性还有许多。

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