7问机器人技术:微型有多微小?如何助力医药领域?
David Levin 2022-08-11
在不远的将来,治疗我们疾病的外科医生可能是游走于我们身体的微型机器。

随着技术的不断发展,机器人已经越来越常见。许多科幻电影中的场景正在逐步成为现实。机器人在医学领域的应用越来越多元,体积也变得越来越小,那么未来机器人将会变得多迷你呢?又会有哪些应用呢?

今天,我们共同关注微型机器人。希望为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

微型机器人

在不远的将来,治疗疾病的外科医生可能是游走于我们身体之中的微型机器人,它们将能追踪肿瘤或清除细窄动脉中的血凝块。

这听起来很像科幻小说,但是你没看错:像《神奇旅程》和《惊异大奇航》这样的电影长期以来一直在展示“将机器缩小到单个细胞大小”的想法——然而在过去的几年里,机器人技术和材料科学的进步使这个想法越来越接近现实。

苏黎世联邦理工学院的机器人学家Bradley Nelson在他的职业生涯中一直致力于创造像这样的微型设备。他说,虽然工程师们已经制造出小于微生物且可以四处移动并感知周围环境的机器人,但这些机器人仍然需要由人远程控制。 

Nelson表示,下一个主要挑战是让这些机器具备某种形式的智能,这样它们就可以独立完成工作,而不需要人类操作员。

然而,创造一个真正智能的微型机器人究竟需要什么呢?以及如何在现实世界中使用它?这些是2022年Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems中一篇文章的作者提出的问题。

Nelson是这篇文章的作者之一,他在接受Knowable Magazine采访时谈到了为什么前景如此艰难以及微型智能机器的未来可能是什么样子。以下是采访内容:

Q1:您如何定义微型机器人?我们说的“微型”有多小?

答:一般来说,任何大小的机器人都是在某一不确定的环境中工作的设备;它能适应周围环境,可以四处移动以实现目标。

回答这一问题的经典方式需要回归到机器人技术的三大核心支柱:首先,是感知——机器人必须以某种方式收集它周围世界的信息;其次,是运动——它必须有某种驱动机制,以便其与所处世界互动;第三,是计算——它必须弄清楚在什么时候应该采取什么行动。

在我的工作中,我通常会尝试将这些元素构建到与单个细胞差不多大小(最大宽度达几百微米)的机器中。

我对比这更小的东西不感兴趣。一旦达到微米以下,主导环境的物理因素就会发生变化。你必须开始考虑布朗运动、原子和分子的随机运动等影响设备的因素。这是你的机器人与环境的主要互相作用,于是这项工作将变得更像化学,而不是机器人学。

Q2:对于您正在尝试构建的微型机器人,“智能”的真正含义是什么?您对如此小的设备的期待是什么?

答:这是一个有趣的哲学问题。有很多方法可以定义它,但是当我阐述某些东西具有智能时,这是一个非常拟人化的观点。我是否对它的行为以及它适应环境的方式感到惊讶?它是否以我认为的引人注目和有趣的方式做事?如果它正在适应,我会认为这其中存在一定的智能。

例如,看看像大肠杆菌这样的细菌。每个细菌的身体都是一个细胞,可能有一两微米长。细菌的表面有化学感受器,可以感知周围的氨基酸或其他营养物质。还有一条通向鞭毛(可以让细菌旋转的附属物)的通路,以帮助细菌改变其在胃肠道或生活的其他任何地方的游动方式。

它还内设有“软件”:漂浮在其中的 DNA 片段控制着大肠杆菌如何重建或修复自身以维持生命。

所以在某种程度上,它是大自然的微型机器人:它有传感器、通信路径、传感算法、引导电机的控制软,而且它还在做出基本的决定。

事实上,大肠杆菌在这一方面做得非常好,以至于一些机器人专家正在利用它作为他们设备的一部分。他们往往会把他们的微型机器人拴在微生物上,从而帮助这些机器人实现感应和运动。

Q3:您的微型机器人是否从细菌中获得灵感?

答:绝对的。细菌的导航方式令人难以置信,它们使用了我从未想过的绝妙策略——起初,它们只是随意地四处走动,但当它们开始感觉到一些好东西,比如氨基酸或其它营养物质时,它们会游得更久一点,这往往会使细菌逐渐朝着存在好东西的方向移动。

这就是我们所说的“有偏见的随机游走”。 作为一名工程师,你会觉得,“哦,那很好。”它们基本上是遵循一个化学梯度。

你可以想象制造可以做同样事情的微型机器人:例如,它们可能会遵循温度梯度、pH梯度或某种疾病的化学特征。

所以,是的,我很受自然世界的启发。微小的有机体进化出了如此丰富、复杂的“智能”行为。如果我能找出一种方法,在机器人中复制细菌的一些行为,那将非常令人兴奋。

Q4:为了制造这样的机器人,需要克服哪些障碍?

答:哦,有很多。自2003年以来,我一直在尝试制造微型机器人。起初,我们只是想弄清楚如何让这些东西移动,以及如何控制它们。随后我们开始思考,它们可以实现什么功能?可以在设备上添加什么样的化学物质或功能?有没有办法给它们某种自主性?

我们仍在研究最后一个问题。我们已经开始探索能够以某种方式对环境做出反应的聚合物和材料,例如通过自动改变它们的形状,以便它们能够通过狭窄的区域或实现类似的事情。

但最大的障碍实际上是将所有不同的组件整合在一起。为了取得成功,微型机器人必须感知并响应环境以完成特定任务。

Q5:假设我们能做到这一点,您认为微型机器人会如何应用于现实世界?这些机器人会如何改进现有技术?

答:我认为我们首先看到的应用会出现在医学领域。这是一个合乎逻辑的进展。我们已经在使用越来越小的医疗设备和机器人进行手术。与其他技术相比,微型机器人可以更深入地进入患者体内并造成更小的创伤。例如,其可以深入大脑以治疗动脉瘤或清除血栓。

未来,我们将继续看到这项技术进一步发展,但这些设备的微小程度是有限的。

下一步自然是把微型机器人放入体内,让其进入微小的空间并在早期治疗疾病。 

想象一下一种可以进入到人体肺部,并在癌症扩散之前发现并治疗癌症的设备。或者治疗现有导管无法到达的大脑深处的血栓——简单的微型机器人可能可以移动到阻塞区域并帮助疏通阻塞。

Q6:这类任务听起来相当复杂。需要某种人工智能来完成这些工作吗?

答:不,目前还不用。我的意思是,现在,将人工智能放入微型机器人是不可能的。对于这么小的东西来说,人工智能的计算量太大了。不过,如果可以实现的话,那将非常酷,我相信我们可以想出一些应用,但这超出了我的研究范围,也许我这一生都难以实现。

不过,重要的是要注意,在这些情况下,我们实际上也许并不需要像人工智能这样强大的东西。您仍然可以使用简单的智能形式和自主决策来构建一个非常有用的微型机器人。如果你有能够识别环境变化并改变其行为以做出响应的微型设备,那么你就可以利用它们做一些令人惊叹的复杂事情。

例如,提供化学疗法:如果微型机器人可以检测肿瘤的pH或温度梯度,它们就可以向那个方向缓慢移动,并将剧毒药物直接释放到癌组织中,而不会释放到身体的其它部位。

像这样的设备可能只有微生物的智能水平,但对于疾病检测和药物输送仍然非常有效。作为一名工程师,我始终牢记这一目标:我应该用最简单的方式来设计一台机器,并使其能够完成某项任务。它不一定会下棋,它只需要能完成工作。

Q7:您认为微型机器人在不久的将来会被商业化使用吗?如果是这样,您认为这个目标还有多远?

答:是的,每个人都想知道还需要多久!我以前总是说我们还要五年的时间。现在我说的是三年。虽然仍然存在很多不确定性,但时间正在缩短。

该领域的其他人正在以越来越小的规模制造电子产品——将小型晶体管和其他东西放在微型机器人上,并直接在其中构建电路。我们开始意识到我们可以直接在微型机器人上嵌入一些基本的计算元素。

问题是,它们最终需要多少计算量?它们需要多少板载内存?你希望它们能学多少东西?

以我们现有的技术,相信在可预见的未来,制造微型机器人将会变得非常简单。

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