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瑞士人建造"神奇旅程"式微型机器人

1966年的电影《神奇旅程》描述了一队被缩小了的科学家进入一位垂危病人的血管中的故事

瑞士科学家开发出了一种可被用于修复受损人类静脉的螺旋形微型机器人。

这种细菌大小的机器人是由苏黎世联邦理工学院(Federal Institute of Technology in Zurich)的科研人员制造的。据学院的在线杂志《联邦理工学院生命报》(ETH Life)透露,通过利用外部的低压磁场,这种机器人能够在液体中以极高的精确度游泳。

世界范围内对用于在人体内作传感、上药或手术之用的小型医用机器人的研究越来越多,而苏黎世小组研发的微型机器人也是其中之一。

这种微型设备的长度在25至60微米之间(人的毛发直径约为100微米),相比而言,细菌的长度仅为5至15微米。

利用5年时间开发出来的“人工细菌鞭状体”(Artificial Bacterial Flagella)从大自然中得到启发。

“这基本上是一种小螺旋体,它的大小和形状都很像鞭状体,某些细菌-如大肠杆菌-就利用这种小尾巴前进,”苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统教授布拉德雷·尼尔森(Bradley Nelson)告诉swissinfo。

在这种微观水平上,与物理世界的互动完全不一样,他补充说。

“假如你的身材小上一万倍,水也会变得像糖浆,”尼尔森说道:“那么若只有一个可以前进或后退的桨你哪儿也去不了,所以你需要的是个螺旋形的尾巴。”

动力问题

迷你机器人是用极薄的铟、镓、砷和铬片制成,它的“头部”则是用铬、镍和金制做的。

由于镍略带磁性,机器人因而可在低磁场中以每秒20微米的速度移动。

这种尺寸的微型医用机器人的动力是个大问题。目前研究的重点是这种设备如何采集与储存能量。

尼尔森和他的研发小组认为螺旋型提供了许多优势。“通过模仿细菌前进的方式,我们能够用极低频磁场引导与控制类似体积的结构,这样我们就可以在几厘米的距离外对它们进行遥控,”他说。

实际应用

这种微型设备还处在基本研究阶段。但在将来,这类细小的机器可被使用在以其它方式无法到达的地方,来精确地送达药物、或操纵细胞与分子,苏黎世的科研人员表示。

该科研小组目前在测试新的材料与操控机制,以及检验怎样才是跟踪设备的最佳途径。“在显微镜下面是一回事,进入人体以后又是另一回事,”尼尔森说。

在人体内的试验结果现在还无法预测。“不过我认为不会有什么基础科学能限制得了我们,”他表示:“对于富有想像力的人来说,需要的是大量的精力与资源。拥有的这些越多,目标就实现得越快。”

加快步伐

近年来,在小型医用机器人开发方面取得了长足的进步。临床方面最先进的设备-如1厘米大小、可吞服的胶囊摄像头(Pillcam)-观测胃肠道系统,因为人体的这部分易于进入,也能容纳较小物件。

以色列开发出的胶囊式机器人可在肠道中自然移动时拍摄并发送照片,自2001年引入后便被广泛应用。

这种新型螺旋形微型机器人是机器人与智能系统研发小组开发出的3个设备中体积最小的一个。

苏黎世的科学家们还在研究利用外部磁场驾驭1毫米机器人的方法,以便将其用于人眼中进行传感、上药和手术。在眼部手术中使用微型机器人的好处是只需实施轻微麻醉,且不必缝合,还可以把药物直接送至视网膜内的毛细血管。

对医用微型机器人的研究也在各地加快了步伐。在澳大利亚,墨尔本附近蒙纳士大学(Monash University)的科学家们正在制造一种类似的鞭状体式微型发动机,可用来推进微型机器人。

2007年加拿大蒙特利尔工程学院(Ecole Polytechnique de Montréal)在活猪静脉内成功移动并操纵了一个1.5毫米的磁珠,使科幻电影中的旅程变成了现实。此后他们将磁珠的直径缩至250微米。

瑞士资讯(swissinfo.ch),Simon Bradley

布拉德雷·尼尔森

布拉德雷·尼尔森是苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统教授。

他的基本研究涉及将机器人研发延伸至科学和工程的新兴领域,而他的主要研究课题为微型机器人和纳米机器人。

尼尔森持有明尼苏达大学机械工程硕士和卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的机器人学博士学位。

他的苏黎世实验室赢得了2007年的第一届纳米机器人足球公开赛(RoboCup Nanogram Competition)。

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神奇旅程

在1966年的科幻电影《神奇旅程》中,美国和苏联都开发出通过缩小原子而达到将物体体积缩小的技术。

但它的价值很有限,因为缩小后的物体在一段时间之后就会回复原有的体积-物体缩得越小,它回复的速度就越快。

在铁幕下工作的科学家Jan Benes找出了能够令缩小过程不受时间限制的方法。他在美国中央情报局的帮助下逃到西方,但一次暗杀行动却使他因大脑中出现血块而昏迷不醒。

为了挽救他的生命,一艘乘坐了一支科学家队伍的潜艇被缩至细菌的大小,并被注入他的体内。

这支队伍的使命是清除他大脑深处的血块,以拯救Benes的生命。

在他的心脏、内耳和肺中作漫游之后,这队科学家成功摧毁了血块,Benes也因此得救。

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