「很多人會問,為什麼我們會稱它們為機械人?畢竟它們身上沒有控制器,又沒有電池。會不會稱呼它們為微型機器會更貼切?」或許它們的稱呼並不重要,它們所擁有的能力,才是重點。

張立教授是香港中文大學(中大)機械與自動化工程學系教授,十五年教研生涯都專注於研究不同的機械人,更鍾情於有別於大多數人傳統印象的微型機械人。

張教授說:「世上沒有一種藥能醫百病,也沒有一種醫療機械人能窺探人體所有部位。市面上有很多配合不同用途開發的內窺鏡,我們亦會設計一些具特定功能的機械人。『功能』是我們在設計機械人時首先考慮的問題。」

由張教授和他的團隊研發可遊走人體的醫療機械人不計其數,包括群起如蜂的機械人集群;貌似外星生物、主要物料為水凝膠的「史萊姆」機械人;以及最新研發的「摺紙」軟體機械人,在磁化作用下,機械人能如摺紙般從平面狀態轉換成不同的立體結構,在狹窄的空間潛行。

新型組裝技術使軟體機械人在磁控下輕易變成不同的立體結構。

紋身貼紙是不少人的童年回憶,亦是「摺紙」機械人組裝技術的靈感來源。這款機械人只有手指頭般大小,由具黏性的膠帶(不乾膠)及磁性顆粒NdFeB組成。膠帶會預先印上蠟層,然後在沒有蠟的位置鋪上磁性顆粒,再將膠帶浸於乙酸乙酯溶液(ethyl acetate solution)將蠟質溶走,便能製成磁性顆粒圖案的模板。只要將模板像紋身貼紙般按壓在黏貼力較強的雙面膠膜上,經鐳射切割後,得出的完整圖案便是軟體機械人的身體。這個簡易工序有助於實現自動化。

在磁力驅動下,「摺紙」機械人能在人體內扭曲身體、變形和重新定位,靈活地變成不同形態,並做出折疊、抓取等動作。除了可配合不同傳感元件模組用於溫度及紫外線感應、修復電路等工業用途外,「摺紙」機械人可在胃壁內移動,於胃潰瘍位置貼上藥物膠布,治療胃潰瘍。與現有的藥物輸送方法和同類軟體機器人技術相比,具有明顯的優勢。

口服藥物向來是最方便的治療模式,為何要用到機械人?張教授說:「我過往研發的機械人,大多以減低病人的痛楚和副作用為目標。與傳統方法比較,這個『摺紙』機械人能夠在體內做到更針對性的定向局部治療。當你吞下藥丸時,大部分藥物會被身體吸收,只有極少量可到達病灶。在治療胃潰瘍時,醫生可將藥物膠布貼在機械人身上,操控它到達潰瘍位置,確保百分之一百的藥物能直接被受損位置吸收。」

張立教授(右)及研究第一作者董悅博士(左)。

張教授一直致力研究可轉化的生物醫學微型機械人,打破工程和醫學領域的界限。在 2012 年加入中大任職助理教授前,他在瑞士蘇黎世聯邦理工學院機器人與智慧系統研究所擔任高級研究員和講師。那時候,他有很多機會與當地醫生交流。「我發現很多醫生使用的醫療工具都未能滿足他們的要求,醫療機械人有很大的發展潛力。於是我想,何不自己發明一些能為病人帶來裨益的微型機械人呢?」

張教授雖是工程學出身,卻擁有關顧病人的仁心。「有人會問,我們為什麼需要這些微型機器人?人體內充滿很多內臟器官細長而迂迴曲折,治療上可能會為醫生和病人帶來很多限制和麻煩。例如,人體的小腸寬幾厘米,長達三至五米,傳統內窺鏡使用上比較困難和費時,病人亦需服用麻醉藥來減輕治療過程中的痛楚。

如我們將任務交給只有亞厘米級大小的微型機械人,便能輕鬆深入這些部位進行治療。我們一直在探索微型機械人深入人體各部位的可能性,例如腸道、膽管、腎臟內部等。另一個我們想研究的有趣位置是大腦,希望利用微型機械人為病人清除血塊,減低腦血管阻塞導致的中風。」

張教授研發的微型機械人與傳統機械人最大的分別在於對狹小環境的適應力。他說:「大多數傳統機械人都是剛性體由大量金屬製造,主要為工業所用,精準度要夠高。但人體內環境充滿各種生物屏障,複雜而且動態,完全是另一個挑戰。」

張教授為中大—中國科學院深圳先進技術研究院機器人與智能系統聯合實驗室主任,以及多個跨學科機械人研究中心及項目的主要成員及研究員,希望日後能進一步將他的微型醫療機械人技術轉化落地。

論文全文可參閱:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8932