俞江帆教授受邀分享微纳机器人在生物医疗中的研究与应用

AIRS 微纳机器人中心主任、香港中文大学（深圳）俞江帆助理教授受邀在第二十四届高交会的重磅环节中国高新技术论坛作题为“微纳机器人技术及生物医疗应用”的报告，分享人工智能与机器人在生物医疗领域的研究与应用成果。

本文为俞江帆教授的报告内容整理，相关内容已被收录至“2022中国高新技术论坛演讲汇编”。（点击文末“阅读原文”可查看完整汇编）

今天我要分享的主题是微纳机器人，这个机器人相对小众、年轻，希望借这个机会分享给大家。

手术机器人已越来越常见，不管在实验室还是在医院，现在有包括神经外科、眼部、心血管、胃肠道等领域的手术机器人。手术机器人有四个发展方向：一是会越来越小型化，未必是整个系统的小型化，而是末端执行器的小型化，将是一个趋势。二是越来越灵活化，三是整个系统会越来越智能，最后柔性化也是一个潜在的发展方向。

我们做的是微纳机器人，它非常小，比各位的头发丝小好多倍，我们做这样的小型机器人其实是想做几方面的事情：一是我们想做细胞级别的诊疗，我们想通过生物学、材料学的方法去筛选、杀灭不好的细胞；二是我们希望能主动地定点杀灭病灶，我们用小型的微纳机器人做一个运载体，主动运载药物或者运载细胞到达病灶，通过无创或者微创的方式局部杀灭病灶。这种方法主要的优势是精准、局部、高效。我们也面临很多挑战，比如说如此小的尺度机器人如何驱动它？如何成像它？如何控制它？ETH 的 Bradley Nelson 教授，也是这个领域的开创者之一，做了一个设备可以精准驱动非常小的磁性机器人在眼球中运动，并且做精准的眼内注射。如此小的体积很多情况下可以用外部的物理场操控，比如磁场。在磁场下，各种各样的小型化机器人可以被驱动，这在体外环境或者体内环境都有验证过。也可以是通过一些化学物质，或者是光场通过能量的传导进行驱动。我们也在做这方面的工作，希望把它推进到生物医疗的应用当中，包括细胞递送、定点药物递送、诊断等。

我们为什么称这些小结构为微纳机器人？机器人具有三大标志性的特征，一是可驱动性，二是感知，三是控制。对于大型机器人来说它有摄像头、控制回路、传感器、驱动器等，这三个成分都是集中于一体的。而对于微纳机器人我们则把这些部件分拆到它的整体系统上，我们刚刚看到的只是微纳机器人末端执行器，我们用外部的物理场的发生器作为它的驱动器，用显微镜+摄像头作为视觉反馈，还有 PC 可以搭建控制线路，实时控制它的运动。

单一的微型机器人的能力相对有限，因为它的尺度太小，能搭载的药物、细胞、材料非常有限；也很挑战绝大多数医学成像系统的分辨率，因为它的尺度可能是几百个纳米、几个微米，现在能到达这个分辨率的医疗成像系统非常少。同时，也有一些运动灵活性、运动速度不足的问题。为解决此类问题，我们开发一个新的小领域——微纳机器人集群。我们同时控制几万个甚至几亿个微型机器人运载一些药物，它的运载能力就会大大增强，医学成像的性能也会大幅变好。当形成一个集群的时候，它们可以根据外部环境的变化进行形态的变化，运动灵活性、运动速度都会大大增加。

我们做的工作主要集中在由磁性纳米颗粒形成的集群。各种尺度下存在非常多的集群行为，自然界里面有鸟群，还有细菌菌落。哈佛大学在几年前发表了一篇 Science 文章，一千个小型机器人通过非常简单的相互作用、相互沟通的信号，可以排布出较为复杂的整体图案，这被叫做集群行为和集群现象。我们的机器人可能会更小型一些，我们用纳米颗粒，因为纳米颗粒的功能化非常容易，可以搭载各种各样需要的材料。

随着基础研究的相对成熟，我们也在想如何把它应用在一些生物医疗的环境中，我想介绍我们近期做的一个比较初步的工作，我们想针对原发性肝癌做辅助的治疗。现在治疗肝癌的主要手段有两种：一是肝移植，但是捐献器官的概率很低，二是局部切除，但是肝脏由于其特殊的功能性，血管分布非常复杂，目前来说临床上有很大部分肝癌是无法切除的。针对这样的问题，临床上有一个相对成熟的辅助疗法——化疗栓塞术，疗法分两步：1、高浓度化疗药物经肝动脉注入，进入肿瘤供血血管；2、把栓塞介质经导管注入到动脉，把供血堵住。这样可以把化疗药一直保留在肝脏中，对肝癌进行持续的化疗，阻止化疗药物到达别的器官造成不好的影响。现在用的栓塞介质有微米颗粒、微线圈、液相栓塞物，第三种用的比较多。现有的栓塞方法相对被动、没有选择性，并且没有办法对目标区域进行定点栓塞，会造成一系列比较明显的风险。

现在我们希望开发一些主动、高选择性以及精准的栓塞介质，可以对肿瘤区域画一个球，对于这个球内部的组织，不管里面有多少血管都可以将其栓塞，对于球外面的血管不加以影响，做高精度的栓塞。我们需要将磁性纳米机器人进行表面修饰，逐渐形成一个人造的血栓，我们要精确控制纳米机器人的精准位置。给大家看两个展示，一是在指定的区域外部，磁性的纳米颗粒会逐渐因为水流的影响被冲散，没有任何聚集的能力。在区域内部我们可以看到，在磁场的影响下，磁性颗粒会产生一定的聚集体，越来越多地栓塞住器官。我们也对栓塞的精准度做了一系列的研究，黑色的圈是我们画的，红色代表栓塞概率极高，精准度还是可以的。我们实现了离体组织中的定点栓塞，首先通入红色的颜料，颜料无差别进入所有的分支当中，然后我们进行栓塞，栓塞之后再通入蓝色的颜料，左半边可以过，右半边不可以过，意味着我们栓塞住了，结果证明了我们可以进行较为精准的栓塞。

最后简单分享一下我对这个领域的看法，我认为医用纳米机器人可能会是除了药学之外朝着攻克各种疾病方向前行的另一条路径，这个路径的运动过程我认为可以和机器学习和 AI 结合，我们做了很多的体内实验，发现有很多的挑战，主要来自于体内的地形非常不确定，体内的流体环境无法知道，只有较为模糊的医疗成像。我们希望建立一系列的神经网络把集群的状态信息、流速输入到神经网络中更好地指导我们在动物体内、人体内对微纳机器人集群的驱动，帮助完成任务。我自己是机器人学出身的，我也希望可以和更多医学领域、人工智能领域的朋友以及更多的生物学家一起把我国的智慧医疗领域推上更高的平台，谢谢大家。

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