科學(xué)家成功打造了一款磁控線形機(jī)器人

這是一款可轉(zhuǎn)向的磁控線形機(jī)器人，可以在腦血管這樣的狹窄空間主動(dòng)滑行，重要的是，這種血管造影導(dǎo)絲具有在迂曲血管中強(qiáng)大的穿越能力。

可以想象得到，將來(lái)醫(yī)生可以遠(yuǎn)程操控這種機(jī)器人，輔以現(xiàn)有的血管治療手段來(lái)治療腦阻塞和病變。這項(xiàng)來(lái)自麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授趙選賀（Xuanhe Zhao）團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》（Science Robotics ）。

中風(fēng)即腦卒中，是中國(guó)人的頭號(hào)殺手。來(lái)自中國(guó)疾病預(yù)防控制中心的數(shù)據(jù)觸目驚心，我國(guó)現(xiàn)有中風(fēng)患者 7000 萬(wàn)人，每年新發(fā)中風(fēng) 200 萬(wàn)人，每 12 秒就有一個(gè)中國(guó)人發(fā)生中風(fēng)。醫(yī)學(xué)界認(rèn)為，如果能在發(fā)病后 90 分鐘內(nèi)進(jìn)行治療，患者的生存率會(huì)得到顯著增加。那么，如果能設(shè)計(jì)出在這個(gè)黃金時(shí)段內(nèi)阻止血管阻塞的裝置，就有可能避免腦組織的永久性損傷。

目前，醫(yī)院普遍采用的血管介入治療需要技術(shù)熟練醫(yī)生進(jìn)行操作。這是一種微創(chuàng)治療方式，僅需要在皮膚上開幾毫米大小的切口，在腿部或腹股溝主動(dòng)脈處插入導(dǎo)管和導(dǎo)絲，目的是讓導(dǎo)管通過(guò)即可，之后醫(yī)生在X射線造影引導(dǎo)下，通過(guò)導(dǎo)管導(dǎo)絲前進(jìn)或旋轉(zhuǎn)，待導(dǎo)管攜帶的支架到達(dá)病灶部位釋放后，再撤回導(dǎo)管導(dǎo)絲。

這個(gè)過(guò)程有不少問(wèn)題。其一，人體血管彎曲且分支較多，尤其是腦血管更加細(xì)小復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間的手術(shù)過(guò)程中容易出現(xiàn)手術(shù)操作失誤。其二，醫(yī)生手術(shù)時(shí)往往穿厚重的防輻射鉛衣，這加重了醫(yī)生的負(fù)擔(dān)，且這種防輻射的方法不能保證醫(yī)生完全避免輻射。其三，微創(chuàng)手術(shù)非?？简?yàn)醫(yī)生的操作水平，能熟練操作手術(shù)的醫(yī)生數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于病患所需。在偏遠(yuǎn)城市或農(nóng)村地區(qū)，這種現(xiàn)象尤為突出。

目前已經(jīng)有多種手術(shù)機(jī)器人研究旨在克服上述障礙。這些機(jī)器人利用磁導(dǎo)航、記憶合金、鋼絲繩索、液壓來(lái)控制導(dǎo)絲速度和方向。然而這些機(jī)器人都遇到小型化挑戰(zhàn)，如今最先進(jìn)的線形機(jī)器人更多用于心臟和外周血管干預(yù)，但無(wú)法用到血管更細(xì)小、更曲折的神經(jīng)外科。希望設(shè)計(jì)一款遠(yuǎn)程控制的微型導(dǎo)絲機(jī)器人，可以巡航復(fù)雜微小血管網(wǎng)絡(luò)，也減少醫(yī)生受到的輻射。

這款導(dǎo)絲稱為鐵磁軟機(jī)器人，它由磁性軟材料構(gòu)成，其中磁化或可磁化的微粒均勻分布在軟質(zhì)聚合物基質(zhì)中，那么這就可以經(jīng)過(guò)打印或注塑得以實(shí)現(xiàn)亞毫米的小型化制造。同時(shí)，利用外部磁場(chǎng)可以精確控制這款軟機(jī)器人，讓它在血管內(nèi)蜿蜒爬行。

為了克服軟機(jī)器人在血管中穿越遇到的摩擦力，研究人員讓只有 10 微米到 25 微米厚度的水凝膠皮膚生長(zhǎng)在機(jī)器人表面，因其是水合交聯(lián)聚合物，可有效降低表面摩擦。研究人員在血管模型中試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人的水凝膠涂層可以讓導(dǎo)絲擁有光滑屬性，能夠在緊湊的血管內(nèi)滑行而不會(huì)卡住。相比之下，現(xiàn)有的手動(dòng)導(dǎo)絲前進(jìn)中在血管壁上有明顯的拖行和摩擦，在分叉處需要手動(dòng)導(dǎo)向，其前進(jìn)速度比磁控軟體機(jī)器人慢很多，而且不容易到達(dá)復(fù)雜的微小血管分叉。

如今這個(gè)軟體機(jī)器人已經(jīng)在人體腦血管的硅膠模型上得到驗(yàn)證，研究人員使用一塊大磁鐵，讓導(dǎo)絲穿針引線般精確到達(dá)了病灶區(qū)域。機(jī)器人導(dǎo)絲可以被賦予更多功能，比如遞送藥物或用激光破壞掉血凝塊。研究人員可以用光纖替換掉鎳鈦合金核芯，這樣機(jī)器人還可以用激光來(lái)處理堵塞血栓。

這個(gè)研究也是趙選賀團(tuán)隊(duì)過(guò)去幾年研究的集成。他們發(fā)明了水凝膠材料和磁控材料。前者是一種生物相容性材料，后者可以設(shè)計(jì)用來(lái)爬行、跳躍和抓取的 3D 打印磁力驅(qū)動(dòng)材料。他們正是將兩者結(jié)合創(chuàng)造出這款機(jī)器人導(dǎo)絲。由于機(jī)器人導(dǎo)絲無(wú)需外科醫(yī)生手工操作，也就意味著醫(yī)生不必靠近患者和輻射設(shè)備，這就減少了醫(yī)生遭受的輻射。