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| 本文作者： 張馳 | 2017-07-09 21:52 | 專題：GAIR 2017 |
雷鋒網(wǎng)按：7月7日，中國計算機(jī)學(xué)會（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)與香港中文大學(xué)（深圳）承辦的第二屆CCF-GAIR全球人工智能與機(jī)器人峰會在深圳如期開幕。在大會第三天的醫(yī)療人工智能專場，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的教授Brad Nelson做了大會報告。
他的報告從科幻中的機(jī)器人講到了已經(jīng)實現(xiàn)的微型機(jī)器人，并就其實現(xiàn)原理及應(yīng)用作了深入的分析，同時展示了其研究所的諸多微型機(jī)器人研究成果。他認(rèn)為未來的醫(yī)療機(jī)器人一定有微型機(jī)器人一席之地，但這種過程并不輕松，期間還面臨著諸多挑戰(zhàn)。
以下內(nèi)容由雷鋒網(wǎng)整理自Nelson教授的報告，有刪減：
今天我想和大家共同探討一下柔性機(jī)器人，特別是它的微型應(yīng)用。
我和在蘇黎世的30個合作伙伴，從機(jī)器的角度，包括從材料、醫(yī)學(xué)的角度共同合作，他們來自不同背景，一起解決目前手中棘手的手術(shù)難題。在基礎(chǔ)角度我們會研究微型物理的作用，比如力學(xué)、機(jī)械生物學(xué)，與此同時開發(fā)微型機(jī)器人。更重要的是我們開發(fā)了以磁力驅(qū)動的機(jī)器人。最后一部分是材料。
今天我會介紹一些研究成果，同時講一下物理方面的進(jìn)展，以及如何建立小型機(jī)器和使用磁驅(qū)動的方式驅(qū)動機(jī)器人。
微型機(jī)器人對未來的醫(yī)學(xué)有很大的影響。講到醫(yī)療，大家可能會看到像上圖這樣的，來自好萊塢電影中的機(jī)器人，它是完全自主的，像一個宇宙飛船，在人體進(jìn)行手術(shù)。這是未來一個想象。科學(xué)家已經(jīng)研究微型機(jī)器人大概30多年了，機(jī)器或者機(jī)器人會影響我們這個時代的醫(yī)學(xué)，未來機(jī)器人能夠給患者開藥自動診斷。現(xiàn)在有系統(tǒng)和機(jī)器在人的身上做一些簡單的手術(shù)，未來會有機(jī)器人自動做手術(shù)，這也需要計算速度以及大數(shù)據(jù)方面的支持，尤其是診斷方面。
現(xiàn)在世界上的醫(yī)療機(jī)器人很多，而且在15年前人們就開始在思考，下一代的機(jī)器人，尤其是下一代醫(yī)療機(jī)器人將會是什么樣。
我們考慮的出發(fā)點是微型，就好象第一張圖片里好萊塢電影中機(jī)器人一樣。這是1966年一部電影中出現(xiàn)的機(jī)器人，它可以縮小并讓一個科學(xué)家藏在其中，通過內(nèi)部的傳感器了解周圍的環(huán)境。它的體積非常小，能被吞咽到體內(nèi)。而今天這個場景是可以實現(xiàn)的。
我覺得好萊塢已經(jīng)比科學(xué)界先進(jìn)很多了，但他們不用考慮現(xiàn)實情況，也不用考慮如何去制造，用什么材料。對科學(xué)家來講這個問題很更難了，尤其是工程師，要考慮制造、機(jī)械、潛力，對社會大眾產(chǎn)生的好處，商業(yè)化和落地。另外還要考慮市場上哪些疾病是由醫(yī)療機(jī)器人可以承擔(dān)的，如果沒有這些，科研就是毫無意義的。
接下來講機(jī)器人的構(gòu)造，尤其是如何做微型機(jī)器人。我們不能像小說里一樣讓機(jī)器人被吞咽到人體內(nèi)，我們要講的是用什么材料。所以先講講它的物理構(gòu)成。
這上面有兩個公式，第一個是磁力，我們必須在微型機(jī)器人上增加一個磁張力，它才能進(jìn)行吸附。另外，還要通過改變微型機(jī)器人的構(gòu)造，使它增加力量或者減少力量，還希望這個機(jī)器人能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)這兩個公式創(chuàng)造出的機(jī)器人的物理公式，不光能夠進(jìn)行力的增加和減少，而且能進(jìn)行自由的360度翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)。
2009年的時候我們用八個比較常用的磁鐵驅(qū)動的醫(yī)療設(shè)備，看一下在三維工作場景中如何控制機(jī)器人的走向和力的大小。這個技術(shù)也是我們首先提出開發(fā)并且應(yīng)用的。
如果已經(jīng)有了公式和能力控制微型機(jī)器人，接下來的問題是在醫(yī)療行業(yè)這種小型機(jī)器人有什么好處。
首先看一下眼睛上有什么樣的疾病。一般的疾病都是用肉眼從外部觀察到的，但有一些在過去十年沒有取得任何進(jìn)步。現(xiàn)在則可以做到用一個微型機(jī)器人，在眼睛中觀察其內(nèi)部構(gòu)造，并且看有什么樣的疾病。我們發(fā)明了一個新的設(shè)備，它非常非常小，只有零點幾毫米，如果你把它放到眼睛上然后拿出來，它不會造成任何影響。
從微型機(jī)器人角度出發(fā)，我們還想發(fā)明一些能穿透血管的機(jī)器人，把它用在動物身上進(jìn)行實驗。通過它們在血管里的走向，找到疾病到底發(fā)生在哪個地方。
再看一下在體內(nèi)發(fā)生的情況，有時候人們認(rèn)為他們的心臟或者胃出了問題。多年來有很多人呼吁用微型機(jī)器人協(xié)助外科醫(yī)生做手術(shù)。如果講到心臟，里面有很多血管。如果能用一些微型機(jī)器人，這個機(jī)器人能有一套自系統(tǒng)能夠幫助我們?nèi)タ刂剖中g(shù)的進(jìn)程呢？
我們開發(fā)了一個系統(tǒng)，病人可以躺在這個系統(tǒng)中，醫(yī)生可以通過手里的微型設(shè)備看患者的心跳、血流速度。同時，一個醫(yī)生或者護(hù)士協(xié)助病人描述自己體內(nèi)的疾病情況。這種微型的體外設(shè)備進(jìn)入到血管以后，因為有上面連接的磁力，所以能夠把信息傳回到機(jī)器人的大腦。系統(tǒng)中的導(dǎo)管進(jìn)入到體內(nèi)，就發(fā)現(xiàn)腫瘤的位置。
左上方可以看到我們把兩個系統(tǒng)前端設(shè)備和后端設(shè)備連接在一起然后進(jìn)行手術(shù)。右邊的下圖，整個過程中外科醫(yī)生能通過機(jī)器人協(xié)助控制手術(shù)進(jìn)程。
手術(shù)有兩部分，第一要精確的從外部控制進(jìn)入到病人體內(nèi)的機(jī)器人導(dǎo)管。第二，當(dāng)我們在移動導(dǎo)管的過程中，能夠進(jìn)行完全的控制。
在接下來這張圖片里，給大家看一下在真正的病患身上做的第一個成功的實驗。左邊是通過病人超聲波導(dǎo)圖看疾病情況。在右邊的圖上方，能夠看到心臟里的圖像，能夠看到他不適的地方是哪，在哪個地方進(jìn)行精確的實驗和手術(shù)。醫(yī)生看著傳回來的圖像，就把體外設(shè)備放進(jìn)體內(nèi)一直到心臟的部分。
導(dǎo)管很軟，同時非常靈活。我們可以讓它以高清晰度看到心室和心室前端的所有圖像。我們可以控制微型機(jī)器人，讓機(jī)器人控制導(dǎo)管。通過這個技術(shù)，我們做到的不止是對于導(dǎo)管，特別是心導(dǎo)管的操作和控制。最近也把它使用在其他部分，比如進(jìn)入到胃的底端，可以很清楚的進(jìn)行胃的檢查。更重要的是，平時想要進(jìn)行胃腸鏡的檢查，最難是進(jìn)入到小腸部分。我們現(xiàn)在和香港的醫(yī)生共同合作，實現(xiàn)了一個6米長的磁導(dǎo)性的導(dǎo)管，可以實現(xiàn)30分鐘體內(nèi)移動。
下面看一下軟性機(jī)器人。它在過去5-10年非常受歡迎。這類有使用比較柔軟的高分子材料制造，還有以生物為導(dǎo)向的技術(shù)和材料生成，我認(rèn)為這也是未來機(jī)器人發(fā)展的領(lǐng)域，也就是所謂高軟性機(jī)器人。與此同時，大型軟性機(jī)器人是否可以做小，做到特別微型，比如能夠幫我們做到縫細(xì)胞。
在我們把機(jī)器人做得越來越小的過程中，物理特性會發(fā)生改變。我們還使用磁場，但是磁場的使用在微型量級就不能是同樣的物理屬性。自然給了解決方案。在1973年我們才真正了解到細(xì)菌有自旋的機(jī)制，這是非常有意思的運動機(jī)制。這種運動機(jī)制，讓我們能讓微型機(jī)器人模擬大腸桿菌或者其他菌體運行。
現(xiàn)在開發(fā)的人工菌體，它的鞭毛非常小，同時是雙旋的結(jié)構(gòu)，能在液體中自由流動，可以通過磁場進(jìn)行非常精準(zhǔn)的操作。我們做了一些更小的微型機(jī)器人，和人的毛發(fā)相比，它大概就是15-20微克，大概是紅細(xì)胞的大小。我們現(xiàn)在做的非常小的柔性機(jī)器人，同時可以在各種液體還有高分子的鏈當(dāng)中都進(jìn)行使用。
2012年的吉尼斯世界記錄也記錄了ZTH的最微型的機(jī)器人，現(xiàn)在我們還在不斷的縮小機(jī)器人的尺寸。
在開發(fā)了機(jī)器人之后，不僅僅要關(guān)注它的運動，也希望它能帶來有效的應(yīng)用。過去幾年我們一直在想如何用機(jī)器人進(jìn)行給藥，專門針對身體的某一個病灶進(jìn)行。
我們把機(jī)器人使用特殊材料包覆，上面有單獨的DNA，這DNA上帶著黃色熒光蛋白。我們所做的是，讓小的柔性微型機(jī)器人與人的腎臟細(xì)胞進(jìn)行結(jié)合。我們看到，細(xì)胞會攫取了機(jī)器人攜帶的DNA，上面有熒光蛋白，我們就可以了解到細(xì)胞的轉(zhuǎn)染，同時更好的了解這些細(xì)胞的基因表達(dá)。
微型機(jī)器人還可以做其他的應(yīng)用，比如，有沒有辦法能夠?qū)λ幬镞M(jìn)行精準(zhǔn)的控制，是否使用形狀變化的物體來進(jìn)行藥物控制。比如說水凝膠，它在溫度變化時就會發(fā)生相應(yīng)變化。我們幾年前開始做一種實驗，探討是否有一種機(jī)制，能使用磁場的方式進(jìn)行藥物溫力的控制。如果打紅外線，就可以讓水凝膠進(jìn)行加熱，它最終可以釋放出有效的藥物分子，在體內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)的藥物給藥。
在我們進(jìn)行研究的過程中，我們發(fā)現(xiàn)做的不僅僅是針對機(jī)器人的使用，也在探討自然，在自然界中有不同形態(tài)的微型生物體。這是在過去幾年我們發(fā)現(xiàn)的不同細(xì)菌形態(tài)和細(xì)胞形態(tài)。有一種寄生蟲它有不同的形態(tài)，它從蒼蠅進(jìn)入到人體，會造成睡病。它有一個非常有意思的形態(tài)，可以在人的身體內(nèi)實現(xiàn)盡情的流動。當(dāng)它達(dá)到某一個生命的周期，就會出現(xiàn)體內(nèi)沉睡，然后生存，再不斷復(fù)制本身的細(xì)胞，再次開始全新的生命周期。
我們不希望機(jī)器人這樣做，但覺得可以學(xué)習(xí)這種機(jī)制。自然界有很多微型生命體，它們有不同的形態(tài)，我們就在想，微型機(jī)器人是否可以做到這一點。
微型機(jī)器人可以在形態(tài)學(xué)上有改變，或者可以改變自己的形態(tài)。比如在溫度的變化下，調(diào)節(jié)它們的形態(tài)變化。這種變化能不斷的優(yōu)化設(shè)備，讓它們達(dá)到更好的移動性，讓它們更好的實現(xiàn)高速度的運動，或者可以實現(xiàn)像寄生蟲或者一般病菌移動的過程。
從我們的角度來說，這樣可以開發(fā)技術(shù)來實現(xiàn)各種形態(tài)的機(jī)器人操作。可以控制它們的行為，找到最好的移動點。
除此之外，我們也在探討如何把微型機(jī)器人用于導(dǎo)管還有內(nèi)窺鏡技術(shù)，從而幫助我們更好的了解，如何通過磁場的方式實現(xiàn)導(dǎo)管可靈活性的使用和導(dǎo)入，或者用小的導(dǎo)管就可以實現(xiàn)微型手術(shù)，使用內(nèi)窺鏡就可以實現(xiàn)小腸的窺探。
微型機(jī)器人可以幫助我們了解如何設(shè)置導(dǎo)管和材料。我們現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)初步建模，了解不同磁場之間的作用，能實現(xiàn)導(dǎo)管在結(jié)構(gòu)上的形態(tài)變化，而不再使用傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡所使用的導(dǎo)管。這從臨床角度說是可以實現(xiàn)的，現(xiàn)在市場上已經(jīng)有了兩個系統(tǒng)可以出現(xiàn)磁導(dǎo)管，可以幫助我們了解到，使用導(dǎo)管時在體內(nèi)發(fā)生不斷的形態(tài)變化，幫助我們做給藥或者對纖維的控制。
最近我的一個博士生正在使用非常小的磁的支氣管鏡檢。他使用的是非常好的磁場檢查，非常小的支氣管鏡，使內(nèi)窺鏡進(jìn)入到支氣管底部。它是非常小的導(dǎo)管，直徑只有2微米，可以進(jìn)入體內(nèi)看肝細(xì)胞是否出現(xiàn)任何癌化的過程，并且抽樣進(jìn)行活檢。
我了解到，中國的肺癌是很嚴(yán)重的疾病，而我們做了很多工作，希望推動肺癌的治療。用微型機(jī)器人能夠進(jìn)入到肺的底部，比現(xiàn)在內(nèi)窺鏡進(jìn)入的維度還要深得多。
除了做手術(shù)之外，我們能夠通過在外部控制微型機(jī)器人，讓它們在肺部進(jìn)行自由的行動。由于柔性材料具備翻滾能力，所以不用擔(dān)心，它能一直能進(jìn)入到肺的最底部，比目前所有市場上設(shè)備進(jìn)入得都要深。
另外，把傳統(tǒng)機(jī)器人引入到新的新型機(jī)器人里，同時還可以創(chuàng)造一些新的可彎曲的構(gòu)造，幫助我們實現(xiàn)現(xiàn)在在轉(zhuǎn)動外科手術(shù)上所不能達(dá)到的病灶深度。
剛開始的時候我說了科幻小說中出現(xiàn)的場景，但實際上，現(xiàn)在也發(fā)明了截斷微型柔性機(jī)器人，它能進(jìn)入到身體不同部分，并且把其中幾段進(jìn)行自動的分割，以達(dá)到給藥和治病的目的。當(dāng)然，問題在于：
第一，如何進(jìn)行藥物的裝取
第二，要用什么樣的納米材料進(jìn)行構(gòu)造
第三，如何控制體內(nèi)溫度、酸堿值以及所有能夠控制給藥和切斷的工具、條件
關(guān)于如何給藥，我們還發(fā)明一個小型機(jī)器人，能夠自動降解，進(jìn)入到你的體內(nèi)可以待數(shù)月或者數(shù)日。另外我們考慮如何讓這些機(jī)器人給藥過程中不至于傷害到其他的細(xì)胞。
我想跟大家強(qiáng)調(diào)的一點是未來是無限的，講到微型納米機(jī)器人，它是一個很小很新的學(xué)科，我們對它的研究也不超過15年。我們在動物的身上做了實驗，但如果在人的身上做實驗，是更加復(fù)雜的過程，不光是進(jìn)行一個簡單的導(dǎo)管設(shè)備。
我們未來還有哪些問題要解決呢？
現(xiàn)在還存在感知的問題，另外還要解決一些物理的材料問題。但還有一些非常基本的問題，是沒有辦法解決的。這個學(xué)科每周都有新的論文發(fā)表，解決現(xiàn)在所出現(xiàn)的問題，但還有很多工作沒有做。
我們也依然在跟醫(yī)生了解，看微型醫(yī)療機(jī)器人在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在哪里，而且也在他們那里拿到一些反饋，看他們現(xiàn)在的醫(yī)療難題是什么，我們能為他們做什么。另外，如果能創(chuàng)造出許許多多小型微型機(jī)器人就能創(chuàng)造出一些大的不同，我們現(xiàn)在已經(jīng)把8000個小的微型機(jī)器人聯(lián)系在一起了。大家還看到現(xiàn)在3D柔性打印也變成可能了，這種柔性打印機(jī)也為我們做醫(yī)療機(jī)器人提供了可能。
我們的研究團(tuán)隊正在加大投資力度和科研力度，跟新材料的科學(xué)家進(jìn)行溝通，找到更多的新材料。如果我們再回過一步看醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，實際上在2001年醫(yī)療機(jī)器人就有了很大的突破，從2001年到現(xiàn)在有16年時間，我們看到商業(yè)的成功、療法上的成功。許多在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域工作的人，將毫無疑問繼續(xù)推進(jìn)他們的工作。
在這個過程中也有新的點子和想法，可能一個機(jī)器從最初研究到實現(xiàn)商業(yè)化最少20年。對我們來講，使命還非常艱巨，現(xiàn)在有更多微型醫(yī)療機(jī)器人，有時候要改變技術(shù)，有時候要改造機(jī)器人的構(gòu)造。
想法很簡單，但要真正實現(xiàn)這個過程，并且要培訓(xùn)外科醫(yī)生如何更好使用小型或者微型機(jī)器人，幫助他們做手術(shù)，實際上是更困難的任務(wù)。
當(dāng)然，疾病也是一個復(fù)雜的過程，從科學(xué)上講小型機(jī)器人也只能是盡自己的一點小力。
研究也需要極大的科研資金的投入，尤其是政府的法律法規(guī)的支持，來幫助我們獲得更多的關(guān)于醫(yī)療微型機(jī)器人科研方面的投資。毫無疑問，全世界廣泛的使用醫(yī)療機(jī)器人，它將會讓更多的病人用更好的方式被做手術(shù)，我們也需要找到新的設(shè)備把治療的時間變短，把整個治病的過程變得更加的可負(fù)擔(dān)。這是我們未來研究的方向。
最后一點關(guān)于我們未來可能要研究的方面，要說的是，今天世界上大多數(shù)人還是沒有辦法獲得高質(zhì)量或者優(yōu)質(zhì)的外科醫(yī)生，幫助他們診斷自己的疾病。哈佛醫(yī)學(xué)院發(fā)現(xiàn)，30%-40%人類疾病都是需要通過外科手術(shù)解決。
現(xiàn)在我們的錢都投入到艾滋病、肺炎還有其他疾病，而這些疾病只是全球犯病人數(shù)的10%。所以我們必須提供越來越多的微型醫(yī)療機(jī)器人，讓它們協(xié)助外科醫(yī)生自主做手術(shù)，解決全球人們所需要解決的醫(yī)療問題。作為醫(yī)療服務(wù)的提供者，必須要把外科手術(shù)帶給更多的發(fā)展中國家，給那些沒有機(jī)會獲得手術(shù)的人，給第三世界國家的患者。
未來微型醫(yī)療機(jī)器人的前景很光明，我們必須把問題想得更深更遠(yuǎn)，如何能降低治療的成本，提高整個手術(shù)的效率，尤其是如何能夠在第三世界去實現(xiàn)這些目標(biāo)。
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