工程师们正在把医用机器人的大小和功能做到极限。
在1966年的电影《神奇旅程》中，一个美国实验室的科学家们将一艘名为“普罗透斯”的潜艇和船员缩小到微观尺寸，并将它们注入到一位生病的科学家的血管之中。进入血管之后，普罗透斯发动引擎，通过血流到达大脑，在那里，船员们穿上潜水装备，使用激光枪进行了精细的手术。
从21世纪的角度来看，《神奇旅程》中的好多元素都可以一笑置之。但从微观层面上进行医疗操作这一概念正慢慢走出科幻小说的领域。得益于微细加工和其他领域的发展，研究人员正在将物体的大小和能力推向极限，使它们小到可以穿过人体。
在过去10年左右的时间里，出现了一大批听起来稀奇古怪的设计：由公牛的精子和细菌驱动的微型机器人，形状似海星、一旦受热就会合起钳臂的微型夹钳，能够将DNA运送到细胞的旋转的磁性螺旋线，可操纵的里面装载药物的磁性球，胃酸驱动的微型电机，还有能够通过两片贝壳一张一翕通过眼睛玻璃体的微型扇贝。
这些设计中很多都还停留在实验室设想阶段，但也有一些已经在动物身上进行测试。有的工程师相信，将来有一天，不用外接电源的微小工具将会被用在医药中。“我们最大的影响将会是在卫生保健领域。”微型机器人专家，德国斯图加特马克思•普朗克智能系统研究所人体智能部的负责人梅廷•西蒂（Metin Sitti）说道。西蒂最近与他人一起在《IEEE学报》上发表了该领域的一篇调查报告。
研究者们说，只要有了正确的设计，一个或者一批微型机器人就能够运送一些针对性很强的药剂或放射性粒子，清除血块，进行组织活检，甚至还能建一个支架，让新细胞可以在上面生长。
苏黎世联邦理工学院机器人学和智能系统教授布拉德利•尼尔森（Bradley Nelson）说，这些活动能够帮助拓展当前医药方面的两个趋势：更早地诊断疾病，以及更准确地锁定疗法。“《神奇旅程》就是我们的梦想。”他说。
实现这一梦想需要克服一系列的工程障碍。在微观层面上，机器人操作的几乎每个方面都需要重新思考；供电和行动问题尤为棘手。而且，人体环境为机器人操作带来了另外的限制因素：你要能够追踪一个物体的位置，保证它是无毒的且不会伤害组织，而且任务完成后可以安全降解或离开人体。
“也就是过去几年，我们才刚刚开始处理这些基本问题。”尼尔森说。他还说，现在重点转移到了目前研究者们所掌握的技术能够用来做些什么。
医药领域已经敞开大门欢迎微型化了，现在一些技术已经能够做到不需外接电源就可以穿过人体到达外界。例如，有大号维生素药丸大小的依靠电池供电的器件，可以沿着它在体内前进的路线拍摄食道、肠道和结肠的照片。
2012年，美国食品药品监督管理局（FDA）给总部位于加利福尼亚州雷德伍德城的普罗透斯数字健康公司开了绿灯，批准其推广一个更为小型的可吞咽设备：可以嵌在一片药片内的一平方毫米大小的硅电路。
“这是世界上最小的可摄入计算机。”普罗透斯公司高级副总裁马库斯•克里森（Markus Christen）说。他也很快提到，其作为计算机的功能是有限的。普罗透斯的芯片既没有天线也没有电源。它包含两块电极材料，芯片外的药片包裹物溶解后，电路接触到胃里的胃酸，两个电极就会连接上。5到10分钟后，芯片的电量在1到10毫瓦之间，足以调制一股电流，传输一个特别的识别码，能够被外部的皮肤贴片所接收。
大小方面，普罗透斯芯片的大小为微型机器人大小范围的上限。克里森说，该芯片完全能够帮助病人跟进药物的消化情况，帮助医药公司监测新药测试中临床测试的主题是否严格遵守了规则。
要将机器人做得更小但能力更强，需要创造性的解决方案。马普所的西蒂教授说，最大的障碍之一是供电问题，传统的化学电池技术不太适合微型机器人。他说，若将物体缩小到1毫米以内，“电池的能力将大幅减弱。”
一个替换选项就是使用无线能量输送，例如从人体外部向内部输入无线电波，从而产生电力。但这一方法在小的尺度上操作起来也十分困难。为了捕获能量，微型机器人需要天线，而如果要收集一定量的能量，这个天线不能太小，而且天线必须离能量源较近。
考虑到这些限制，工程师们正在寻找新的方法为微型机器推进等活动提供能量。一个选项是创造一些本质是小型化学火箭的东西，他们可以与人体内的胃酸等物质发生反应，从而四处游走。研究者们也在探索利用生物混合物的方法，控制细菌在其中的游动方向，甚至让它们根据某些信号（例如某种分子浓度的变化）来追踪目标。
某些情况下，一些微型机器人甚至可以在不附带电源的情况下工作。在位于巴尔的摩的约翰•霍普金斯大学，大卫•格拉夏斯（David Gracias）和他的同事开发了微型夹钳——一种五角星形状的设备，一端到另一端的距离还不到500微米。用来制造这些夹钳的材料能够随温度、pH值甚至是酶等环境因素的变化而变化。对温度敏感的夹钳会在感受到人体热量时合起钳臂。如果放置在合适的位置，夹钳臂就能够夹住组织，进行微型组织活检。
这些夹钳能够为那些患有长期炎症性肠病的患者提供一个入侵度较小的检查结肠癌的方法。格拉夏斯说，当今，为了覆盖结肠内壁足够的统计范围，这种检查是通过用镊子提取数十份样本来完成的。未来，医生可以通过管道把几百只或者几千只微型夹钳插入结肠，之后使用磁铁或通过对患者粪便进行筛选将夹钳回收。
根据在活猪身上做的测试，格拉夏斯的团队预测，这些夹钳之中约有三分之一捕捉到了组织。其他夹钳都徒劳无功，因为它们放错了位置或在未触及任何东西之前就闭合了。但他说，这一成本最低以及操作最方便的方法可以产生很大的影响。
“大家一般认为，你要的是一台能够在你的指挥下精确完成外科手术的设备。”格拉夏斯说。而他的策略借鉴了不完美的生物学世界的一些观点。“如果你有很多不完美的设备，你也同样可能达到那一台完美设备所能达到的功能。”
胃肠道算是人体内比较宽松的操作环境。它体积较大，比较容易从外部进入，并且在人体内自动输送物体。探索眼睛、大脑、血管等更为棘手的位置则可能需要更为复杂的微型机器人设计。
一个重大障碍就是机器可能会导致血块。“跟临床医生聊天时，会让他们谈之色变并且再也不想与你交谈的一个话题就是将任何固体放入血流之中，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校人体用软电子研究的先驱约翰•罗杰斯（John Rogers）说道，“任何在血液中自由漂浮、自由移动的结构都会导致非常严重的后果。”（要了解罗杰斯和他的研究，请阅读本期文章《让你的身体亮起“检查引擎”的提示灯》。）
因此，将微型机器人放置在准确的位置是非常重要的。即使是最复杂的微型机器人，比如说那些能够追踪pH值或温度变化的，恐怕也难以抵挡强有力的血液流。“实际情况是，这些东西在你的体内游不了多久。”苏黎世联邦理工学院的尼尔森说，一个独立的微型机器人可能只能快速、定向地游20微米左右，因此要使设备到达其目的地，大部分路段可能都需要外部引导。
尼尔森研究的目标之一是视网膜。目前，用于治疗视网膜疾病的药物只能注射到眼睛里，然后这些药物会慢慢扩散，但只有一小部分药剂能到达目标病灶。尼尔森说，载有药物的微型机器人可能更能精确地将药物送达，减少药剂的使用量以及副作用。
指引机器人到达正确位置的一个明显可用的方法就是用磁性材料制造机器人，然后在外部通过磁铁来引导它。研究者们已经使用核磁共振机在动物体上进行此种试验。但是尼尔森、西蒂和其他人正在寻找磁力更为温和但控制力更强的电磁配置。
利用磁场来控制微型机器人的活动出人意料地难。“我们仍在学习相关的数学和物理问题。”尼尔森说。他解释道，为了让一个带有机械臂的物体能够以任何方式移动，你需要6个制动器来负责6个层面的自由活动：沿x，y，z轴方向的运动，以及绕着每个轴的方向旋转。当他和同事们找到了能够精细控制一个简单的磁性微型机器人，使它进行5个层面的自由活动的方法时，他们发现需要8个相互独立的外部电磁线圈。尼尔森说，要加上第6个层面的自由活动，需要微型机器人有一个更加复杂的磁力剖面，而不仅仅是一个简单的条形磁铁。
尼尔森的团队可以使用磁铁来控制磁场在10毫特斯拉以下的螺旋形微型机器人，这种磁场与核磁共振机产生的磁场相比微乎其微。“我们可以扭转这些螺旋线，使它们螺旋前进。”他说，就像大肠杆菌通过旋转鞭毛前进那样。今年早些时候，他的团队报告说，他们成功地在实验室中使用带有包裹物的人造细菌鞭毛向人体细胞输送了遗传物质。
近期，尼尔森正期待他的磁控制技术以外接电源的方式被医生用于在心血管系统中引导导尿管的一端。但长期来看，他正在探索这种技术与外界的物理连接切断之后可以做些什么。对于他和很多其他研究者来说，机遇巨大无比，如同人体之于复杂多变的微观世界。■
作者：Rachel Courtland