新升级磁控可单个控制体内微型机器人

寂静回声

在实际运用中，如果你想用一台核磁共振（MRI）扫描仪来创造磁场，那么无论这个磁场的梯度如何，MRI 触及范围的所有东西都会受到影响，因此如果你想让两个微型机器人同时做不同的事，几乎是天方夜谭。


控制机器人在人体内的运动有两种办法：试着打造一种复杂的自带推进和导航的微型机器人潜水艇（不过这类机器人很难做），或是打造响应磁场的小不点儿机器人（利用大磁铁从外部控制机器人的运动）。后一种方法要简单得多，不过有一个主要的不足：难以控制多个微型机器人。

问题在于：磁场因为是场，因此不易局限在某个特定区域。实际上，如果你在使用诸如一台临床 MRI 扫描仪来创造磁场，那么，无论磁场梯度如何，都会影响到 MRI 内部的所有东西，无论是单个微型机器人还是一群机器人。如果你想让两个不同的机器人做不同的事情，对不起，那就不走运了。

一个有希望的潜在解决方式就是让每个机器人彼此轻微差异化，这样，持续的控制输入就能对每个机器人产生并不一致的影响。不过，对于同质机器人（homogenous robots）来说，就要难得多。近日，发表在 Science Robotics 上的一篇论文（来自德国汉堡的飞利浦研究院，Philips Research in Germany）介绍了一种技术，可以利用磁场选择性地驱动单个机器人，或者这个机器人的某个组件，即使这些机器人都是同一材质制作的，并位于同一磁场中。



这是这一技术的运作原理：设备中的整体磁场中有一个洞，也叫自由场点（a free field point，FFP），也是多个磁场（每个磁场都是有独立线圈生成的）相遇的地方。在 FFP 里面，磁场梯度很低，没办法协助你移动物体，不过，却能帮助你不移动物体，因为你可以在适当的地方，通过调大磁场梯度，「锁住」不在 FFP 中的任何东西。然后，采用一个温和的旋转磁场，它可以旋转 FFP 中任何东西而不会下锁。通过来回移动 FFP，你就可以选择要锁住的东西以及要自由转动的东西。

在这一案例中，「锁」是一个利用磁场而一边倾斜的螺旋体（screws），这样它们就不能旋转，而 FFP 是零度倾斜区域，亦即螺旋体可以自由旋转。这一研究采用的硬件可以单个驱动螺旋体，而且这些螺旋体的间距可以低至 3 毫米左右。



由磁场生成器（左）的图解可见有三套直角线圈，在 z 方向（灰色）有一个铁质内核。磁场生成器（中）有一个直径 12 厘米的钻孔。xy 平面（右）上理想磁场中心有一个 0 点，也就是自由场点（FFP），白色的箭头代表局部磁场向量。

研究人员提出了一大堆不同的办法来让这一技术发挥实际作用：

有一类应用是以几个分别加以控制的螺旋体驱动机制为基础的。在整形外科中，可用于移植，被移植部分的形状能够根据恢复过程发生变化。在诸如下肢增长或早发性脊柱侧凸等案例应用中，基于几个可控旋转体机制或为可延伸假肢或增长棒提供更高灵活性。另外，这一办法能够用于微流体中，其中，可以想象一种简单微型磁泵以及阀门，无需电力或机械连接，即可单独进行驱动。

另一类使用情况与用于局部治疗实现的简单微型机器有关，比如遥控一个可注射磁性微型药丸释放药物。遥控可切换放射性种子是一类特殊案例。可切换开关的机器人种子（Switchable seeds）能让资源的使用有更长的半衰期或更高的剂量率，因为达到所需的剂量后，放射性就可以被关闭。除此之外，最终距离健康组织或敏感器官太近的移动种子可以被关闭。

使用带槽的螺旋盾，定向种子的远程调节方式可以被建立。这可能会让医疗领域中的精确用药和组织维护技术有进一步的提升。另外，我们证明了磁操纵可以达到微米级别的精确性。通过导管，我们可以把种子带入肿瘤和血栓的位置，完成任务后从血管中排出。在成像定位后，只有到达肿瘤位置的种子会被远程激活。