论文部分内容阅读
近日，哈佛大学的一个研究团队在机器人领域取得了重大突破，借助全新的制造技术创造出一个微型蜘蛛机器人，今后有望应用于医学领域。这些“蜘蛛”有一天会爬进你的体内，帮助修复组织或破坏肿瘤。该团队的创新设计不仅有效减少侵入性外科手术，在医学领域做出重大改变，还可以从工业设施的维护到拯救灾民等各方面产生影响。
毫米级机器人：里程碑式的一步
到目前为止，大多数先进的小型机器人都采用某种特定的模式：它们均为厘米级机器人，通常只有一个自由度，这意味着它们只能促成一种特定的运动形状或类型的变化。由哈佛大学威斯生物启发工程研究所（以下简称威斯研究所）、John A.Paulson工程与应用科学学院（SEAS）和波士顿大学的科学家联合研发的这款新型机器人并非如此。新型蜘蛛机器人为毫米级别，且由柔性材料制成，易于借助气动和液压动力移动，因此，该机器人具有前所未有的18个自由度。
相比其他同类产品，此款蜘蛛机器人更加小巧、灵活——对研发能在人体内进行相关操作的机器人的过程而言，这无疑是里程碑式的一步。
工程师表示，新技术MORPH是Microfluidic Origami for ReconfigurablePneumatic/Hydraulic的首字母缩写。使用这项全新的技术制造蜘蛛或其他机器人生物的过程，主要涉及3种不同的技术。首先，利用微型激光切割出1 2层材料，相互粘合形成蜘蛛的身体和手臂。其次，借助软光刻技术在这些层内绘制了一个复杂的微观通道网络;在感知到气动或液压动力时，这些微型“脉络”可促成蜘蛛的移动。最后，为了达到其最终形状，这些微流体通道中的一些通过可固化树脂加压。当用来自外部的UV光照射时，树脂硬化并使較软的层永久地弯曲成所需的形状。
根据该研究的作者之一希拉·鲁索（Sheila Russo）的说法，他们的”小怪物”蜘蛛可以改变自身的结构，可移动，甚至可以改变颜色。此毫米级蜘蛛机器人外形色彩多样，其肢体能够借助水或者酒精来驱动并模拟澳大利亚孔雀蜘蛛的表现。
虽然对这款机器人的表现很有自信.波士顿大学的助理教授兼创造者之一的Tommaso Ranzani表示，它目前的形式并非针对医疗应用而设计，更像是一种能力的展示。他在邮件中提到：我们相信软体机器人在减少风险、进行微创手术任务方面有着巨大的潜力。或许在将来的某一天，这些软体机器人会替代传统手术工具，一跃成为”操纵、与身体最脆弱组织（如静脉、动脉甚至神经）相互作用”的理想选择。它们还可以服用药物或做或组织检查。
但Ranzani认为类似的微型机器人也有可能对环境有所帮助，可用于维护工业设施，甚至协助太空探索。他表示“‘蜘蛛机器人’是软体机器人研发道路上的第一项成果。我们相信它将会推进新一代微型软体机器人的发展，新一代机器人将借助其微型、可变形、弹性的外观，探索高度非结构化、复杂的环境，被广泛应用于人体内部对组织进行安全、精细的操作，以执行搜索、抢救等医疗任务。”
想象一下，未来某一天，一大群机器人在清理火箭发动机并固定微型飞行器，或在被地震摧毁的建筑物中寻找幸存者并提供急救——甚至只是进行一次清理以清除人体内堵塞的动脉。多么神奇的画面啊，相信大家对这款蜘蛛机器人的期待值已经爆表了。
未来医疗：微型机器人助力精准医疗
这可能是一个奇怪的场景：2006年10月一个寒冷的晚上，一群工程专业学生和他们的教授Sylvain Martel聚集在教室中观看核磁共振机上的一头被麻醉过的跛了的猪，大家屏住呼吸，最后教室响起热烈的掌声……
一名医院技术员通过导管将圆珠笔珠那么大的钢珠植入猪的颈动脉中，几分钟后，他们看到电脑屏幕上的钢珠突然动起来。这正是该团队想看到的结果。这是人类第一次将物体以无线控制方式植入生物的血管，对于微型机器人研究界，这是历史性的一步，与人类首次登上月球不相上下。
现在世界上的各个研究机构正在努力将这一小步发展得更大，有朝一日将能够同时植入生物的大动脉和小血管，从此告别需要动用侵入性外科手术的时代。
Martel医生写道：微型机器人在医学领域发展的首个壮举将是治疗癌症，机器人可以直接将药品输入到癌细胞中，其只会击中受损细胞，并不会伤害健康细胞。
不过发展的前途虽然光明，其挑战却是巨大的。其中包含很多物理问题，比如如何让一定尺寸的机器人穿过布满大动脉和小血管的黏性流体;还有生物问题，比如要确保机器人材料无毒并且能够被生物分解。
多伦多大学机械工程教授Eric Diller说道：“这些机器人需要制作得非常小，但并不能简单地按照比例缩小现有的机器人。”研究人员从自然中寻求到了灵感，他们用一种类似细菌的仿生设计制作微型机器人。
他表示，微型物体的生存环境与一般物体很不相同，如果一个微型物体在水中游动，水会看起来非常深，所以要将游动的物体制作得与众不同。后来想到了细菌，它让微型物体身上附带鞭毛虫，这与一条鱼在容器里游泳是很不一样的。
2018年年初，Diller的团队有了一项突破：他们制作出了1毫米的机器人。此款机器人有两只手臂，并且能够通过磁场控制，因此它能够在生物体内搭桥。Diller表示微型机器人不只是在运输药物方面大有作为，它们也能修复我们的血管和器官。
在伊利诺伊大学香槟分校里，毕业生Caroline Cvetkovic正在致力于一个相似的项目：用肌肉驱使的行走机器人。她的团队利用心脏细胞电脉冲来驾驭小型机器人，机器人的脊椎由水凝胶制作而成。
Cvetkovic构想了一个“能够帮助运输药物、智能植入血管、监测生物体内环境”的机器人医生。她说道：“我们的系统灵感来源于哺乳动物的肌肉、腱、骨系统。它不仅仅与生理学相关，它让我们模仿大自然系统的能量生产方式。例如，在人体内，当肌肉发出动作，力量会通过连接腱传递到骨头。而在我们的生物机器人中，当肌肉细胞做出反应（通常是通过电击），力量会通过一种特殊的连接体传递到肢体。这种连接体由水凝胶构成，因此它能够灵活弯曲。这样一来，机器人能够移动肢体进行行走。”
Robert Woods是一名电子工程师，也是哈佛大学微型机器人实验室的创始人，他对微型机器人的未来信心满满。他致力于制作一次性的机器人蜜蜂，这种蜜蜂身怀绝技，它们能够为作物授粉、进行搜救工作，还能排查危险材料。“如果你想制作能飞的机器人，自然中各种会飞的生物能给你很多灵感。但我们不能简单地复制自然，我们在努力理解各种生物的动作、行为，并把它运用于我们的研究项目。”
不久前，由欧洲和以色列科学家组成的某团队传来喜讯：他们的扇贝机器人制作已有了巨大的进展。扇贝机器人非常之小，只有零点几毫米，因此它能够在人的眼球中游动。而该团队真正的创举是此款机器人能够不借助外力自动游动。虽然像其他微型机器人一样，它需要由外部磁场控制，但是力量只要一输入，它就能自动游动，无需其他力量牵引。
回到1949年，诺贝尔物理学奖获得者费曼在演讲中说道：“如果你能吞下一名外科医生，那么手术将变得有趣而简单。但是我们怎样才能制作出这样微小的外科医生呢？这是我的梦想，我把它留给你们来实现。”
几十年过去了，科学家们一直在为此奋斗。梦想已经不遥远，而且更为奇妙，人们并不会简单粗暴地吞下一名外科医生，而是会直接植入微型机器人医生。现在的机器人比费曼描述得要微型很多，也许将来机器人的微型程度还会超乎我们的想象。
毫米级机器人：里程碑式的一步
到目前为止，大多数先进的小型机器人都采用某种特定的模式：它们均为厘米级机器人，通常只有一个自由度，这意味着它们只能促成一种特定的运动形状或类型的变化。由哈佛大学威斯生物启发工程研究所（以下简称威斯研究所）、John A.Paulson工程与应用科学学院（SEAS）和波士顿大学的科学家联合研发的这款新型机器人并非如此。新型蜘蛛机器人为毫米级别，且由柔性材料制成，易于借助气动和液压动力移动，因此，该机器人具有前所未有的18个自由度。
相比其他同类产品，此款蜘蛛机器人更加小巧、灵活——对研发能在人体内进行相关操作的机器人的过程而言，这无疑是里程碑式的一步。
工程师表示，新技术MORPH是Microfluidic Origami for ReconfigurablePneumatic/Hydraulic的首字母缩写。使用这项全新的技术制造蜘蛛或其他机器人生物的过程，主要涉及3种不同的技术。首先，利用微型激光切割出1 2层材料，相互粘合形成蜘蛛的身体和手臂。其次，借助软光刻技术在这些层内绘制了一个复杂的微观通道网络;在感知到气动或液压动力时，这些微型“脉络”可促成蜘蛛的移动。最后，为了达到其最终形状，这些微流体通道中的一些通过可固化树脂加压。当用来自外部的UV光照射时，树脂硬化并使較软的层永久地弯曲成所需的形状。
根据该研究的作者之一希拉·鲁索（Sheila Russo）的说法，他们的”小怪物”蜘蛛可以改变自身的结构，可移动，甚至可以改变颜色。此毫米级蜘蛛机器人外形色彩多样，其肢体能够借助水或者酒精来驱动并模拟澳大利亚孔雀蜘蛛的表现。
虽然对这款机器人的表现很有自信.波士顿大学的助理教授兼创造者之一的Tommaso Ranzani表示，它目前的形式并非针对医疗应用而设计，更像是一种能力的展示。他在邮件中提到：我们相信软体机器人在减少风险、进行微创手术任务方面有着巨大的潜力。或许在将来的某一天，这些软体机器人会替代传统手术工具，一跃成为”操纵、与身体最脆弱组织（如静脉、动脉甚至神经）相互作用”的理想选择。它们还可以服用药物或做或组织检查。
但Ranzani认为类似的微型机器人也有可能对环境有所帮助，可用于维护工业设施，甚至协助太空探索。他表示“‘蜘蛛机器人’是软体机器人研发道路上的第一项成果。我们相信它将会推进新一代微型软体机器人的发展，新一代机器人将借助其微型、可变形、弹性的外观，探索高度非结构化、复杂的环境，被广泛应用于人体内部对组织进行安全、精细的操作，以执行搜索、抢救等医疗任务。”
想象一下，未来某一天，一大群机器人在清理火箭发动机并固定微型飞行器，或在被地震摧毁的建筑物中寻找幸存者并提供急救——甚至只是进行一次清理以清除人体内堵塞的动脉。多么神奇的画面啊，相信大家对这款蜘蛛机器人的期待值已经爆表了。
未来医疗：微型机器人助力精准医疗
这可能是一个奇怪的场景：2006年10月一个寒冷的晚上，一群工程专业学生和他们的教授Sylvain Martel聚集在教室中观看核磁共振机上的一头被麻醉过的跛了的猪，大家屏住呼吸，最后教室响起热烈的掌声……
一名医院技术员通过导管将圆珠笔珠那么大的钢珠植入猪的颈动脉中，几分钟后，他们看到电脑屏幕上的钢珠突然动起来。这正是该团队想看到的结果。这是人类第一次将物体以无线控制方式植入生物的血管，对于微型机器人研究界，这是历史性的一步，与人类首次登上月球不相上下。
现在世界上的各个研究机构正在努力将这一小步发展得更大，有朝一日将能够同时植入生物的大动脉和小血管，从此告别需要动用侵入性外科手术的时代。
Martel医生写道：微型机器人在医学领域发展的首个壮举将是治疗癌症，机器人可以直接将药品输入到癌细胞中，其只会击中受损细胞，并不会伤害健康细胞。
不过发展的前途虽然光明，其挑战却是巨大的。其中包含很多物理问题，比如如何让一定尺寸的机器人穿过布满大动脉和小血管的黏性流体;还有生物问题，比如要确保机器人材料无毒并且能够被生物分解。
多伦多大学机械工程教授Eric Diller说道：“这些机器人需要制作得非常小，但并不能简单地按照比例缩小现有的机器人。”研究人员从自然中寻求到了灵感，他们用一种类似细菌的仿生设计制作微型机器人。
他表示，微型物体的生存环境与一般物体很不相同，如果一个微型物体在水中游动，水会看起来非常深，所以要将游动的物体制作得与众不同。后来想到了细菌，它让微型物体身上附带鞭毛虫，这与一条鱼在容器里游泳是很不一样的。
2018年年初，Diller的团队有了一项突破：他们制作出了1毫米的机器人。此款机器人有两只手臂，并且能够通过磁场控制，因此它能够在生物体内搭桥。Diller表示微型机器人不只是在运输药物方面大有作为，它们也能修复我们的血管和器官。
在伊利诺伊大学香槟分校里，毕业生Caroline Cvetkovic正在致力于一个相似的项目：用肌肉驱使的行走机器人。她的团队利用心脏细胞电脉冲来驾驭小型机器人，机器人的脊椎由水凝胶制作而成。
Cvetkovic构想了一个“能够帮助运输药物、智能植入血管、监测生物体内环境”的机器人医生。她说道：“我们的系统灵感来源于哺乳动物的肌肉、腱、骨系统。它不仅仅与生理学相关，它让我们模仿大自然系统的能量生产方式。例如，在人体内，当肌肉发出动作，力量会通过连接腱传递到骨头。而在我们的生物机器人中，当肌肉细胞做出反应（通常是通过电击），力量会通过一种特殊的连接体传递到肢体。这种连接体由水凝胶构成，因此它能够灵活弯曲。这样一来，机器人能够移动肢体进行行走。”
Robert Woods是一名电子工程师，也是哈佛大学微型机器人实验室的创始人，他对微型机器人的未来信心满满。他致力于制作一次性的机器人蜜蜂，这种蜜蜂身怀绝技，它们能够为作物授粉、进行搜救工作，还能排查危险材料。“如果你想制作能飞的机器人，自然中各种会飞的生物能给你很多灵感。但我们不能简单地复制自然，我们在努力理解各种生物的动作、行为，并把它运用于我们的研究项目。”
不久前，由欧洲和以色列科学家组成的某团队传来喜讯：他们的扇贝机器人制作已有了巨大的进展。扇贝机器人非常之小，只有零点几毫米，因此它能够在人的眼球中游动。而该团队真正的创举是此款机器人能够不借助外力自动游动。虽然像其他微型机器人一样，它需要由外部磁场控制，但是力量只要一输入，它就能自动游动，无需其他力量牵引。
回到1949年，诺贝尔物理学奖获得者费曼在演讲中说道：“如果你能吞下一名外科医生，那么手术将变得有趣而简单。但是我们怎样才能制作出这样微小的外科医生呢？这是我的梦想，我把它留给你们来实现。”
几十年过去了，科学家们一直在为此奋斗。梦想已经不遥远，而且更为奇妙，人们并不会简单粗暴地吞下一名外科医生，而是会直接植入微型机器人医生。现在的机器人比费曼描述得要微型很多，也许将来机器人的微型程度还会超乎我们的想象。