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可食用折疊機(jī)器人膠囊以及可展開(kāi)折疊裝置；照片：Melanie Gonick/MIT

MIT、謝菲爾德大學(xué)和東京工業(yè)大學(xué)的研究人員在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，合作研發(fā)出了一種可食用折疊機(jī)器人。該機(jī)器人經(jīng)過(guò)患者消化道時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）教授Daniela Rus博士表示，“最大的挑戰(zhàn)是如何構(gòu)建一種臨床安全且有能力的醫(yī)療機(jī)器人。解決這個(gè)問(wèn)題需要尋找生物相容性材料、安全的體內(nèi)運(yùn)輸方式、將機(jī)器人從藥丸形狀重新展開(kāi)的方法，以及對(duì)機(jī)器人位置和功能的精確多模式控制。”

可食用折疊機(jī)器人概述

首先，將機(jī)器人折疊成折紙形狀，然后將其裝入27mm的冰囊中，讓患者服用。機(jī)器人藥丸穿過(guò)食道和胃之后，周圍的冰融化。

研發(fā)人員憑借超聲波、X射線和霍爾效應(yīng)傳感器的組合對(duì)機(jī)器人進(jìn)行地理定位。

機(jī)器人在這里展開(kāi)。折疊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式有多種：基于摩擦的推進(jìn)（折疊形狀造成的結(jié)果）；胃液的水基推進(jìn)；以及磁場(chǎng)軌跡控制。

White Rose研究論文，利茲大學(xué)，Sheffield & York

機(jī)器人的三種運(yùn)動(dòng)方式

第一種運(yùn)動(dòng)是使用磁力。折疊機(jī)器人的一塊褶皺板內(nèi)嵌了一個(gè)長(zhǎng)3.2mm的釹磁鐵。該磁鐵能夠?qū)w外磁場(chǎng)做出反應(yīng)，因此研發(fā)人員可以操縱機(jī)器人的軌跡。

遙控操縱桿能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁力，快速旋轉(zhuǎn)可以使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)到位，但較慢的旋轉(zhuǎn)會(huì)讓機(jī)器人繞其中一個(gè)固定腳旋轉(zhuǎn)。

第二種運(yùn)動(dòng)就是研究人員所說(shuō)的“粘滑”運(yùn)動(dòng)。褶皺板的形狀和結(jié)構(gòu)使得這種運(yùn)動(dòng)成為可能。機(jī)器人的邊緣通過(guò)摩擦力附著在一個(gè)表面上，當(dāng)其身體彎曲時(shí)，由于重量分布發(fā)生變化，機(jī)器人會(huì)自由滑動(dòng)。

比如, “磁場(chǎng)施加在傳送器被驅(qū)動(dòng)的方向上（圖中正x方向），在四個(gè)角度（Ψ, Ψ/2, ?Ψ/2和?Ψ；Ψ=1.1弧度是從水平面的角度）上振蕩，頻率為5Hz。施加這種交替磁場(chǎng)時(shí)，由于推力、前后形狀造成的不對(duì)稱摩擦力和自身不對(duì)稱質(zhì)量平衡等因素的組合作用，輸送者可以“向前行走”。”

研究人員估計(jì)，機(jī)器人80%的動(dòng)作利用這種粘滑推進(jìn)力，其余20%利用來(lái)自胃液中的水推進(jìn)力。“因此，機(jī)身設(shè)計(jì)我們積極采用鰭片的概念和特征，您可以從相對(duì)扁平的設(shè)計(jì)中看出來(lái)，”研究團(tuán)隊(duì)成員Shuhei Miyashita說(shuō)道。

胃內(nèi)的“粘滑”運(yùn)動(dòng)

可食用折疊機(jī)器人的材料與機(jī)械學(xué)

該設(shè)備的功能與其形式和材料有著直接關(guān)系。

這些材料不僅需要具有生物相容性，還需要具有足夠的結(jié)構(gòu)完整性和剛度。材料必須能夠容納折疊褶皺，同時(shí)還要足夠剛性以產(chǎn)生粘滑運(yùn)動(dòng)所需的摩擦力。

最終，他們發(fā)現(xiàn)一種用做香腸腸衣的干豬腸材料非常成功。研究員李曙光說(shuō)：“我們花了很多時(shí)間在亞洲市場(chǎng)和唐人街市場(chǎng)尋找材料。”整體結(jié)構(gòu)由三層組成：頂部和底部各一層外殼，中間包裹著一層生物鰭片（Biolefin）——一種可生物降解的收縮包裝，在加熱時(shí)會(huì)收縮。

然后通過(guò)一系列僅穿透外層的淺縫產(chǎn)生折疊模式。比如，當(dāng)僅在頂層制作一個(gè)切口時(shí)，中間層會(huì)收縮，并且將向下朝向底層折疊。

將機(jī)器人制作成可以吞下的小形狀很重要，然而折疊機(jī)器人展開(kāi)的方式同樣重要。機(jī)器人設(shè)計(jì)需要利用作用在機(jī)器人上的胃力使得機(jī)器人自己展開(kāi)。

為了實(shí)現(xiàn)正確的結(jié)構(gòu)和形狀，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多次試驗(yàn)，最終獲得了一種矩形形狀，且沿著短軸方向伸出折疊褶皺，同時(shí)角折進(jìn)去，以便讓機(jī)器人增加牽引力。

可食用機(jī)器人的醫(yī)療應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)表示，美國(guó)每年約有3500名人吞下電池，該設(shè)備可以用來(lái)取出卡在消化道中的電池。為了取出卡在人體器官中的電池，研究小組利用機(jī)器人的嵌入式磁鐵將電池與胃壁分開(kāi)，并將其帶到體外。

該團(tuán)隊(duì)表示，該技術(shù)的未來(lái)潛在應(yīng)用包括：修復(fù)傷口；將藥物運(yùn)送到目標(biāo)位置；或從體內(nèi)移除其他類型的異物等。

該機(jī)器人的最初原型于2016年開(kāi)發(fā)，截至2017年仍然無(wú)法適用于人類。Rus 表示, “通常，完成體內(nèi)實(shí)驗(yàn)并獲得批準(zhǔn)需要三年時(shí)間。從動(dòng)物到人類可能還需要三年時(shí)間。成功治療人類可能至少需要六年時(shí)間。”

然而，這種可食用折疊機(jī)器人并不是折疊醫(yī)療機(jī)器人的唯一成果。哈佛醫(yī)療團(tuán)隊(duì)正在研究類似方法，但是研發(fā)出的醫(yī)療折疊機(jī)器人卻完全不同。

以下視頻展示了MIT團(tuán)隊(duì)的上一版折疊機(jī)器人如何為最新模型夯實(shí)基礎(chǔ)。

醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)是個(gè)好主意嗎？

醫(yī)療保健微型機(jī)器人技術(shù)的概念并不新鮮。事實(shí)上，20世紀(jì)60年代的一部科幻電影神奇旅程就已經(jīng)預(yù)示了納米機(jī)器人在身體血管內(nèi)進(jìn)行微型冒險(xiǎn)以去除凝塊的潛力。然而，對(duì)于許多機(jī)器人醫(yī)療設(shè)備，比如植入式起搏器和除顫器，人們真正擔(dān)心的是黑客獲取醫(yī)療設(shè)備的訪問(wèn)權(quán)限。

諸如胃折疊機(jī)器人的醫(yī)療保健機(jī)器人的風(fēng)險(xiǎn)因素要低得多，因?yàn)樗鼈冎皇菚簳r(shí)停留在你的體內(nèi)。與手術(shù)或其他侵入性醫(yī)療程序相比，這些胃機(jī)器人裝置的影響要小得多。

此外，這些設(shè)備并不具備互聯(lián)網(wǎng)功能，目前依賴于材料、摩擦、磁性和有效傳輸系統(tǒng)的相對(duì)低保真機(jī)制。這種簡(jiǎn)單性使其成為強(qiáng)大的原型。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人學(xué)教授Bradley Nelson表示：“這個(gè)概念具有高度創(chuàng)造性和高度實(shí)用性，以巧妙的方式滿足了臨床需求。這是我見(jiàn)過(guò)的最有說(shuō)服力的折疊機(jī)器人應(yīng)用之一。”

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審核編輯黃宇