在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，精準(zhǔn)治療復(fù)雜病灶成為越來(lái)越重要的需求，尤其是對(duì)于腦腫瘤、腦動(dòng)脈瘤等多發(fā)性疾病，需要醫(yī)生能夠在多個(gè)位置上進(jìn)行同步或快速交替地進(jìn)行治療。
傳統(tǒng)的使用單個(gè)機(jī)器人的方案通常無(wú)法滿足這些復(fù)雜的多點(diǎn)治療需求，特別是對(duì)于需要短時(shí)間內(nèi)在多個(gè)部位實(shí)施藥物輸送和血流控制的治療。
它們更需要一種多機(jī)器人協(xié)同的解決方案，以縮短手術(shù)時(shí)間、提升治療效果，并避免錯(cuò)過(guò)理想的治療時(shí)機(jī)。
近期，德國(guó)馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所、美國(guó)夏威夷大學(xué)與土耳其科奇大學(xué)等團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)出了一種全新的多軟體機(jī)器人控制系統(tǒng)。
該系統(tǒng)巧妙利用了機(jī)器人與血管壁的接觸實(shí)現(xiàn)了多個(gè)磁性機(jī)器人的控制，并能夠在 3D 空間中進(jìn)行動(dòng)態(tài)精確控制多個(gè)磁性軟體機(jī)器人的獨(dú)立操控。
值得關(guān)注的是，該系統(tǒng)通過(guò)在線檢測(cè)阻力進(jìn)行磁場(chǎng)控制，使得每個(gè)機(jī)器人在三維管腔網(wǎng)絡(luò)中都可以不受其他機(jī)器人干擾地獨(dú)立完成任務(wù)，為未來(lái)多機(jī)器人協(xié)同工作提供了新方案。
多機(jī)器人控制框架為精準(zhǔn)醫(yī)療和微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域提供了新技術(shù)途徑，尤其在腦中風(fēng)等緊急醫(yī)療狀況下具有應(yīng)用潛力，大大拓展了多機(jī)器人在復(fù)雜醫(yī)療環(huán)境中的應(yīng)用前景。
審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)稱，“這項(xiàng)工作的一個(gè)顯著進(jìn)步是它能夠獨(dú)立控制超過(guò) 5 個(gè)磁性機(jī)器人，因?yàn)樵谶@項(xiàng)工作之前，控制超過(guò) 5 個(gè)機(jī)器人是巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，完善的機(jī)器人控制平臺(tái)和路徑規(guī)劃算法提供了便捷的用戶界面，結(jié)合精妙的機(jī)器人功能設(shè)計(jì)，為藥物遞送和液體導(dǎo)流提供了一種新穎的應(yīng)用方式�！�
近日，相關(guān)論文以《三維網(wǎng)絡(luò)多軟體微型機(jī)器人》（Heterogeneous multiple soft millirobots in three-dimensional lumens）為題發(fā)表在 Science Advances[1]。
德國(guó)馬普智能系統(tǒng)研究所和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院博士生王春翔是第一作者，美國(guó)夏威夷大學(xué)助理教授王添路是共同第一作者兼共同通訊作者，科奇大學(xué)梅廷司提（Metin Sitti）教授擔(dān)任通訊作者。
圖丨相關(guān)論文在 Science Advances 首頁(yè)發(fā)表（來(lái)源：Science Advances）
該系統(tǒng)基于軟體機(jī)器人在不同位置所受阻力的差異，采用外部磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)并控制每個(gè)機(jī)器人的位置和運(yùn)動(dòng)。
通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的方位與強(qiáng)度，系統(tǒng)可以靈活調(diào)整磁性機(jī)器人在管腔內(nèi)的作用區(qū)域，使得每個(gè)機(jī)器人能夠在不同的目標(biāo)區(qū)域獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)。
為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的獨(dú)立操控，該系統(tǒng)提出了“影響區(qū)域”和“驅(qū)動(dòng)區(qū)域”兩大核心概念。
在影響區(qū)域內(nèi)，因磁場(chǎng)無(wú)法對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生足夠的作用力，從而避免了對(duì)其他機(jī)器人的干擾；而在驅(qū)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，磁場(chǎng)的力足夠強(qiáng)，可以有效地推動(dòng)和旋轉(zhuǎn)控制目標(biāo)機(jī)器人。
王春翔表示：“通過(guò)在線估計(jì)每個(gè)機(jī)器人的影響區(qū)域和驅(qū)動(dòng)區(qū)域并結(jié)合磁場(chǎng)控制，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)微型機(jī)器人在 3D 空間的獨(dú)立控制�！�
圖丨王春翔（左）與王添路（來(lái)源：王春翔）
該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：
首先，該課題組實(shí)現(xiàn)了在三維空間（XYZ 軸）內(nèi)對(duì)多個(gè)機(jī)器人的控制，而不僅僅是二維平面。
其次，實(shí)驗(yàn)中的環(huán)境模擬更為真實(shí)，包含了水流等動(dòng)態(tài)因素，即便在這樣的條件下，也能保持對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定控制。
再次，該研究突破了控制機(jī)器人數(shù)量的限制，能夠在復(fù)雜環(huán)境中同時(shí)控制超過(guò) 5 個(gè)機(jī)器人，這在以往的研究中是難以實(shí)現(xiàn)的。
最后，這種新穎的機(jī)器人設(shè)計(jì)不僅考慮了實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，還集成了送藥、血管栓塞等醫(yī)療功能，使其成為面向?qū)嶋H醫(yī)療應(yīng)用的解決方案。
圖丨三維空間內(nèi)的多機(jī)器人部署（來(lái)源：Science Advances）
由于該課題組使用的是永磁體控制機(jī)器人，而永磁體本身的特性相當(dāng)復(fù)雜。
在深入研究機(jī)器人控制的過(guò)程中，研究人員面臨建模等方面的挑戰(zhàn)，如使用具有復(fù)雜性的永磁體所帶來(lái)的控制難度的增加。
此外，機(jī)器人在復(fù)雜的流場(chǎng)環(huán)境中，如在血管內(nèi)與管壁或血管壁的交互也非常復(fù)雜。需要建立磁場(chǎng)控制模型，以及建立機(jī)器人本身的動(dòng)力學(xué)模型。
“我們的目標(biāo)是以一種直觀的方式清晰地解釋這些復(fù)雜的概念，以方便用戶操作。”王春翔說(shuō)。
為了搞清這些復(fù)雜概念，研究人員采取了“多管齊下”方法，包括廣泛閱讀學(xué)術(shù)論文、理論探究和大量實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證等。
盡管在研究初期，研究人員就發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其最初所提出的模型并不一致，但他們并沒(méi)有放棄，而是基于不斷實(shí)驗(yàn)和修正迭代優(yōu)化模型，使其更加精準(zhǔn)和可靠。
圖丨系統(tǒng)概念圖與應(yīng)用（來(lái)源：Science Advances）
在腦中風(fēng)治療中，傳統(tǒng)方法通過(guò)導(dǎo)管不斷地注入溶栓藥物，但這種方法可能會(huì)損害其他健康的血管。而該研究中提出的解決方案是利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)輸送，并減少對(duì)健康組織的副作用。
王添路解釋說(shuō)道：“腦中風(fēng)往往涉及多處血管同時(shí)堵塞，而我們的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于能夠控制多個(gè)支架機(jī)器人 [2]，并有效解決多處血管堵塞的問(wèn)題�！�
據(jù)悉，目前該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，并計(jì)劃進(jìn)一步提升機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和材料的生物相容性等方面。同時(shí)，他們也正在將這些機(jī)器人與現(xiàn)有的醫(yī)療系統(tǒng)結(jié)合，比如與 CT、超聲等設(shè)備協(xié)同工作，以更好地面向臨床應(yīng)用。
未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化，軟體磁控機(jī)器人在多點(diǎn)藥物輸送、復(fù)雜病灶多點(diǎn)診療、多部位流體調(diào)控等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。
特別是在多發(fā)性腦動(dòng)脈瘤、腦腫瘤和血栓形成等疾病的治療中，該系統(tǒng)有望提供更快捷、更精準(zhǔn)的治療方式。
此外，結(jié)合傳感和電子模塊，該系統(tǒng)還有望用于多點(diǎn)生理監(jiān)測(cè)、疾病早期檢測(cè)和個(gè)性化治療等領(lǐng)域。
參考資料：
1.Wang,C.et al. Heterogeneous multiple soft millirobots in three-dimensional lumens.Science Advances10, 1951(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq1951
2. Wang, T., et al. Adaptive wireless millirobotic locomotion into distal vasculature. Nature Communications 13, 4465 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32059-9
排版：何晨龍、劉雅坤
