文 | 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者 張晴丹
哪里需要送哪里，人體內(nèi)也可以有精準(zhǔn)送藥的“快遞員”了！
(資料圖)
它是一款豌豆大小的機(jī)器人。
相關(guān)論文于6月15日發(fā)表在Nature子刊Nature Communications上，第一作者是美國(guó)斯坦福大學(xué)機(jī)械工程系博士后迮棄疾。他即將在今年下半年回國(guó)在西安交通大學(xué)任教。
“功能最強(qiáng)大的微型機(jī)器人”
“我們都覺(jué)得這個(gè)機(jī)器是我們開(kāi)發(fā)的過(guò)功能最強(qiáng)大的微型機(jī)器人，希望未來(lái)可以應(yīng)用到人體內(nèi)。”迮棄疾告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
它是一個(gè)無(wú)線操控的水陸兩棲折紙機(jī)器人，通過(guò)旋轉(zhuǎn)和折疊功能，可以在復(fù)雜地形快速前行，并在液體中自由游動(dòng)，不僅可以按需釋放液體藥物，還能主動(dòng)吸取物體運(yùn)出體外。
這個(gè)機(jī)器人的想法最早起源于2020年。在迮棄疾與導(dǎo)師趙芮可的一次常規(guī)討論時(shí)，趙芮可提出，“我們用Kresling折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了機(jī)械臂和陸地上的爬行機(jī)器人，有沒(méi)有可能讓它能在水里游呢？Kresling的幾何形態(tài)具有和螺旋槳類似的結(jié)構(gòu)，如果我們能利用磁場(chǎng)讓它高速旋轉(zhuǎn)，那么是否可以在水中產(chǎn)生推進(jìn)力？”
Kresling折紙機(jī)器人的類螺旋槳結(jié)構(gòu)。 受訪者供圖
經(jīng)過(guò)第一次的嘗試，機(jī)器人確實(shí)在水中旋轉(zhuǎn)過(guò)程中向前移動(dòng)。然而，此時(shí)的機(jī)器人只能在狹窄的水域游動(dòng)，應(yīng)用范圍比較局限。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在組會(huì)上，大家討論熱烈，之后在機(jī)理方面進(jìn)行了深入研究，最終發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的密度會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)性能產(chǎn)生極大的影響。
“我們花了大量時(shí)間嘗試不同的設(shè)計(jì)和小型化，讓機(jī)器人在水里能產(chǎn)生理想的推進(jìn)力。同時(shí)為了豐富機(jī)器人的功能和擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)景，我們探索了在多種環(huán)境里的運(yùn)動(dòng)，比如陸地、水里及高粘性表面等模擬的人體內(nèi)環(huán)境。不斷設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)環(huán)境不受限制。”論文通訊作者、美國(guó)斯坦福大學(xué)助理教授趙芮可告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
同時(shí)，考慮到人體環(huán)境的狹窄，機(jī)器人尺寸被大幅縮小，文章中機(jī)器人直徑7.8毫米，只有豌豆大小，小于常規(guī)膠囊。在文章發(fā)表后，他們又進(jìn)一步將機(jī)器人直徑縮小至2毫米——只有圓糯米大小，未來(lái)希望可以在血管中得到應(yīng)用。
有了自由運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)器人，還需要賦予它實(shí)現(xiàn)任務(wù)的能力。折紙結(jié)構(gòu)固有的變形特性這時(shí)候就發(fā)揮了作用。當(dāng)施加周期變化的磁場(chǎng)時(shí)，機(jī)器人可以循環(huán)收縮展開(kāi)，觸發(fā)內(nèi)部的放藥機(jī)制，配合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，即可實(shí)現(xiàn)定向定量的送藥。
除此之外，通過(guò)在機(jī)器人不同部位引入開(kāi)孔，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人內(nèi)部可以產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)域。該機(jī)制不但可以用于提高機(jī)器人游動(dòng)的速度，還可以被用于主動(dòng)吸取物體。
經(jīng)過(guò)接近兩年的“打磨”，團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)器人的功能性和極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力非常滿意。在經(jīng)過(guò)多輪的修改完善后，文章在今年3月份投稿Nature Communications，兩個(gè)月左右就被順利接收。
審稿人也認(rèn)為這款機(jī)器人的設(shè)計(jì)非常巧妙，機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但可以實(shí)現(xiàn)極為復(fù)雜的功能。論文發(fā)表當(dāng)天，Nature將該成果作為研究亮點(diǎn)（Research Highlights）進(jìn)行了報(bào)道。
趙芮可團(tuán)隊(duì)：左一趙芮可，右一迮棄疾。 受訪者供圖
“感覺(jué)自己是在冒險(xiǎn)”：跨學(xué)科的探索
迮棄疾在趙芮可團(tuán)隊(duì)從事博士后研究已有4年?；叵氘?dāng)初選擇加入這個(gè)團(tuán)隊(duì)的時(shí)候，他感慨自己“很有勇氣”。
迮棄疾本碩博都在國(guó)內(nèi)完成，學(xué)的電氣工程與自動(dòng)化，研究的都是電機(jī)、電磁控制等。而趙芮可團(tuán)隊(duì)主要做力學(xué)、機(jī)械以及智能材料方面的研究。兩者是完全不一樣的學(xué)科背景。
“趙老師給我分析了電磁控制在智能材料和軟體機(jī)器人領(lǐng)域的廣闊前景，然而在考慮是否加入她的團(tuán)隊(duì)時(shí)，我內(nèi)心糾結(jié)了很久，畢竟學(xué)科跨度太大了，要在完全不熟悉的領(lǐng)域開(kāi)辟新天地，一切談何容易。”迮棄疾說(shuō)。
在趙芮可眼里，迮棄疾是一個(gè)對(duì)科研有很高的熱情、會(huì)繼續(xù)走學(xué)術(shù)道路的人，“他自身有很多強(qiáng)項(xiàng)。”
“我感覺(jué)自己當(dāng)時(shí)確實(shí)挺冒險(xiǎn)的，不過(guò)既然老師敢招我，那我也敢去。那時(shí)候我就想，人生能有幾回搏，大不了失敗了回家賣(mài)紅薯！”
團(tuán)隊(duì)的一個(gè)主要研究方向是微型機(jī)器人研究，并希望在生命醫(yī)療領(lǐng)域有所應(yīng)用。
靶向給藥是目前醫(yī)學(xué)界非常關(guān)注的研究，任何疾病都迫切需要實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)。原因很簡(jiǎn)單，平?？诜帲幬飼?huì)在人體內(nèi)被稀釋，真正需要藥物治療的地方只能分到一點(diǎn)點(diǎn)，使藥效大打折扣。
想在人體內(nèi)派送一個(gè)精準(zhǔn)送藥機(jī)器人，就得把尺寸做到很小。在趙芮可看來(lái)，尺寸越小越好，這樣在人體內(nèi)能去的地方就更多，能執(zhí)行的任務(wù)也更多樣化。
在此目標(biāo)之下，就意味著要去掉傳統(tǒng)機(jī)器人身上的各類電子器件，同時(shí)有線的驅(qū)動(dòng)方式也會(huì)對(duì)人體內(nèi)的應(yīng)用產(chǎn)生諸多限制，而磁場(chǎng)由于無(wú)線操控的特點(diǎn)就成為了理想的選項(xiàng)。于是，迮棄疾擅長(zhǎng)的電磁控制研究就派上了用場(chǎng)。
他們研究出的機(jī)器人十分靈巧，完全用磁驅(qū)動(dòng)來(lái)控制機(jī)器人旋轉(zhuǎn)以及收縮：旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)所有的運(yùn)動(dòng)功能，并達(dá)到水陸兩棲的效果，去到任何想去的地方；收縮是通過(guò)折紙結(jié)構(gòu)的可折疊性，賦予機(jī)器人給藥功能，在指定的地方釋放藥物。
在磁場(chǎng)的控制下，這些機(jī)器人“快遞員”前行速度非常快，即使在液體里游行，也能達(dá)到每秒10厘米以上。而且中途不會(huì)遺失藥物，可將其安全快捷地送到指定位置。
豌豆大小的機(jī)器人能在復(fù)雜的人體環(huán)境中靈活行動(dòng)，并精準(zhǔn)給藥。 受訪者供圖
將來(lái)，它還可以在體內(nèi)安裝微型相機(jī)，用于內(nèi)窺鏡檢查和活檢等，甚至還能幫助清除復(fù)雜血管系統(tǒng)中的血塊，以輔助治療中風(fēng)或心臟病。
從很后悔、不甘心，到對(duì)未來(lái)充滿期待
從本科一路走到現(xiàn)在，迮棄疾心中有太多感慨。
“上大學(xué)的時(shí)候有些許懈怠，早期并沒(méi)有全身心投入學(xué)習(xí)。保送碩博連讀后，雖然對(duì)科研很感興趣，也主動(dòng)參加機(jī)器人比賽，但因?yàn)槿狈o迫感，一直沒(méi)有全身心地投入科研當(dāng)中。”
在經(jīng)歷了一段時(shí)間的消沉后，迮棄疾逐漸意識(shí)到這種狀態(tài)非常危險(xiǎn)。于是，他開(kāi)始重新審視自己，強(qiáng)迫自己集中精力做研究，并調(diào)整生活狀態(tài)，主動(dòng)找導(dǎo)師定期匯報(bào)工作、討論科研方向，讓一切重新步入正軌。
雖然做出了改變，但迮棄疾心里還是糾結(jié)，自己“太晚悟到一些道理，浪費(fèi)了很多時(shí)間，感到很遺憾。”
“2018年博士畢業(yè)后，我有一些不甘心，想知道自己是不是還有潛力沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。所以我想出國(guó)做博士后，到全新的前沿研究陣地‘長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)’，汲取新知識(shí)，積累更多的成果。”迮棄疾說(shuō)。
初到趙芮可團(tuán)隊(duì)時(shí)，迮棄疾在科研工作上遭遇了“水土不服”。美國(guó)的教育風(fēng)格、科研環(huán)境完全不同，再加上跨學(xué)科的難度，他要調(diào)整以前做研究的習(xí)慣、思維模式，適應(yīng)過(guò)程比較痛苦。
與家人相隔萬(wàn)里，幾乎每天都過(guò)著實(shí)驗(yàn)室和宿舍的兩點(diǎn)一線生活，科研工作的繁忙讓迮棄疾無(wú)暇顧及其他。
他能一路堅(jiān)持下來(lái)，離不開(kāi)妻子這個(gè)堅(jiān)強(qiáng)的后盾。“我很感謝她的支持與理解，異地戀都很困難，何況我們還是異國(guó)。她是我碩士時(shí)期的同學(xué)，無(wú)論是生活中還是工作中都有很多共同話題，她也非常理解我的工作性質(zhì)，所以我們不曾發(fā)生爭(zhēng)吵，還經(jīng)常在情緒低落時(shí)互相打氣。”迮棄疾說(shuō)。
說(shuō)到這里，迮棄疾還另外感謝了同實(shí)驗(yàn)室的博士生吳帥，他也是這篇論文的共同一作。除了科研上的互幫互助，在生活上，他們也是最緊密的伙伴。
4月1日發(fā)表的成果被選為Science Advances封面論文
4年披星戴月搞科研，也取得了令自己滿意的成果。僅是今年，迮棄疾作為一作就已發(fā)了兩篇論文。除了前文提及的這篇，另外一篇在4月1日以封面論文的形式發(fā)表在Science Advances上，報(bào)道的是一款折紙結(jié)構(gòu)的爬行機(jī)器人。
“雖然前期經(jīng)歷了很多的波折，但好在結(jié)果還不錯(cuò)，感覺(jué)自己的努力也算是沒(méi)有白費(fèi)。現(xiàn)在想想雖然走過(guò)了很多彎路，但是一切經(jīng)歷都有獨(dú)特的意義。很多事情順其自然就挺好，不用給自己太大的精神壓力。”迮棄疾說(shuō)道，現(xiàn)在他最期待的事情就是回國(guó)和家人團(tuán)聚，未來(lái)他也希望可以做出可以真正應(yīng)用在醫(yī)療上的機(jī)器人。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30802-w
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7834
