新升級磁控可單個控制體內微型機器人,實現精準定向手術

來源：機器之心發布時間：2017-02-17 2761

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在實際運用中，如果你想用一臺核磁共振（MRI）掃描儀來創造磁場，那么無論這個磁場的梯度如何，MRI 觸及范圍的所有東西都會受到影響，因此如果你想讓兩個微型機器人同時做不同的事，幾乎是天方夜譚。

控制機器人在人體內的運動有兩種辦法：試著打造一種復雜的自帶推進和導航的微型機器人潛水艇（不過這類機器人很難做），或是打造響應磁場的小不點兒機器人（利用大磁鐵從外部控制機器人的運動）。后一種方法要簡單得多，不過有一個主要的不足：難以控制多個微型機器人。

問題在于：磁場因為是場，因此不易局限在某個特定區域。實際上，如果你在使用諸如一臺臨床 MRI 掃描儀來創造磁場，那么，無論磁場梯度如何，都會影響到 MRI 內部的所有東西，無論是單個微型機器人還是一群機器人。如果你想讓兩個不同的機器人做不同的事情，對不起，那就不走運了。

一個有希望的潛在解決方式就是讓每個機器人彼此輕微差異化，這樣，持續的控制輸入就能對每個機器人產生并不一致的影響。不過，對于同質機器人（homogenous robots）來說，就要難得多。昨天，發表在 Science Robotics 上的一篇論文（來自德國漢堡的飛利浦研究院，Philips Research in Germany）介紹了一種技術，可以利用磁場選擇性地驅動單個機器人，或者這個機器人的某個組件，即使這些機器人都是同一材質制作的，并位于同一磁場中。

這是這一技術的運作原理：設備中的整體磁場中有一個洞，也叫自由場點（a free field point，FFP），也是多個磁場（每個磁場都是有獨立線圈生成的）相遇的地方。在 FFP 里面，磁場梯度很低，沒辦法協助你移動物體，不過，卻能幫助你不移動物體，因為你可以在適當的地方，通過調大磁場梯度，「鎖住」不在 FFP 中的任何東西。然后，采用一個溫和的旋轉磁場，它可以旋轉 FFP 中任何東西而不會下鎖。通過來回移動 FFP，你就可以選擇要鎖住的東西以及要自由轉動的東西。

在這一案例中，「鎖」是一個利用磁場而一邊傾斜的螺旋體（screws），這樣它們就不能旋轉，而 FFP 是零度傾斜區域，亦即螺旋體可以自由旋轉。這一研究采用的硬件可以單個驅動螺旋體，而且這些螺旋體的間距可以低至 3 毫米左右。

由磁場生成器（左）的圖解可見有三套直角線圈，在 z 方向（灰色）有一個鐵質內核。磁場生成器（中）有一個直徑 12 厘米的鉆孔。xy 平面（右）上理想磁場中心有一個 0 點，也就是自由場點（FFP），白色的箭頭代表局部磁場向量。

研究人員建議了一大堆不同的辦法來讓這一技術發揮實際作用：

有一類應用是以幾個分別加以控制的螺旋體驅動機制為基礎的。在整形外科中，可用于移植，被移植部分的形狀能夠根據恢復過程發生變化。在諸如下肢增長或早發性脊柱側凸等案例應用中，基于幾個可控旋轉體機制或為可延伸假肢或增長棒提供更高靈活性。另外，這一辦法能夠用于微流體中，其中，可以想象一種簡單微型磁泵以及閥門，無需電力或機械連接，即可單獨進行驅動。

另一類使用情況與用于局部治療實現的簡單微型機器有關，比如遙控一個可注射磁性微型藥丸釋放藥物。遙控可切換放射性種子是一類特殊案例。可切換開關的機器人種子（Switchable seeds）能讓資源的使用有更長的半衰期或更高的劑量率，因為達到所需的劑量后，放射性就可以被關閉。除此之外，最終距離健康組織或敏感器官太近的移動種子可以被關閉。

使用帶槽的螺旋盾，定向種子的遠程調節方式可以被建立。這可能會讓醫療領域中的精確用藥和組織維護技術有進一步的提升。另外，我們證明了磁操縱可以達到微米級別的精確性。通過導管，我們可以把種子帶入腫瘤和血栓的位置，完成任務后從血管中排出。在成像定位后，只有到達腫瘤位置的種子會被遠程激活。

論文題目：相同的螺旋微機器的空間選擇性的遠程磁致動（Spatially Selective Remote Magnetic Actuation of Identical Helical Micromachines）

作者：J. Rahmer、B. Gleich 和 C. Stehning

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