2018世界機(jī)器人大會(huì)擬于8月15日至19日在北京亦創(chuàng)國(guó)際會(huì)展中心舉行。大會(huì)以“共創(chuàng)智慧新動(dòng)能 共享開(kāi)放新時(shí)代”為主題，由“論壇”、“博覽會(huì)”、“大賽”、“地面無(wú)人系統(tǒng)展示活動(dòng)”四大版塊構(gòu)成。 本屆大賽匯聚了來(lái)自美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、日本、以色列等全球近20個(gè)國(guó)家和地區(qū)的1萬(wàn)余支賽隊(duì)和數(shù)百名頂尖專(zhuān)家，共計(jì)超過(guò)5萬(wàn)多名參賽選手同臺(tái)競(jìng)技。
在此次論壇中，瑞士蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院教授Brad Nelson進(jìn)行主題演講“人類(lèi)身邊的小伙伴：那些個(gè)子雖小卻功能強(qiáng)大的微型機(jī)器人”。
以下是演講全文：
今天下午我們已經(jīng)講了很久，今天我和大家談的是另外一個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人，叫做微型機(jī)器人，也會(huì)談到納米機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人在我們實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中取得的進(jìn)展。
我來(lái)自瑞士，一個(gè)歐洲中心的小國(guó)家，比中國(guó)小多了，但是一個(gè)非常美麗的國(guó)家，歡迎大家到我們的國(guó)家徒步。我的大學(xué)叫蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院，一共有160多年的歷史。我們是一個(gè)科技學(xué)校，也有很著名的科學(xué)家，我覺(jué)得非常有吸引力的一件事情就是有很多的團(tuán)隊(duì)成員，包括多尺度的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)。既有搞機(jī)器人的，也有生物醫(yī)學(xué)工程的，還有納米技術(shù)的、醫(yī)學(xué)的、化學(xué)的、物理學(xué)的專(zhuān)家，我們的團(tuán)隊(duì)當(dāng)中的人士是非常多元化的背景。實(shí)驗(yàn)室做的事情有幾個(gè)領(lǐng)域：首先是力傳感和力學(xué)生物學(xué)，我們要了解機(jī)器人怎么和世界、和環(huán)境產(chǎn)生互動(dòng)，也要理解這種物理的互動(dòng)。今天還會(huì)談到微型和納米機(jī)器人，包括怎樣使用磁力驅(qū)動(dòng)，其實(shí)我是一個(gè)搞機(jī)械的，而不是一個(gè)材料科學(xué)家，但有一個(gè)很重要的領(lǐng)域，就是材料與制造，因?yàn)檫@些對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)是很重要的。我們需要有感應(yīng)器，這些感應(yīng)器要放在機(jī)器人的身上，所以材料和制造也是很重要的。
剛才說(shuō)過(guò)，醫(yī)療機(jī)器人是一個(gè)成功的故事，我看到了因特網(wǎng)上的廣告。這是一個(gè)醫(yī)院的宣傳語(yǔ)，看到的是一個(gè)外科醫(yī)生，可以看到這個(gè)醫(yī)生正在利用機(jī)械臂進(jìn)行外科手術(shù)。現(xiàn)在不少醫(yī)院已經(jīng)開(kāi)始使用機(jī)械臂了，比如這是達(dá)芬奇機(jī)械臂，這個(gè)領(lǐng)域醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)把機(jī)器人作為醫(yī)院的賣(mài)點(diǎn)了，我的母親和親戚在做手術(shù)的時(shí)候都接受過(guò)機(jī)器人的設(shè)備。泰勒沃森是約翰霍普金斯大學(xué)的教授，也是醫(yī)療機(jī)器人非常重要的奠基人，曾經(jīng)說(shuō)過(guò)人類(lèi)臨床醫(yī)生和基于計(jì)算機(jī)技術(shù)之間的協(xié)作將從根本上改變二十一世紀(jì)手術(shù)和介入醫(yī)學(xué)的操作方式，正如計(jì)算機(jī)技術(shù)改變二十世紀(jì)的制造業(yè)一樣，我覺(jué)得說(shuō)得非常有道理。這不僅僅是機(jī)器人的動(dòng)物外科手術(shù)的行為，而且也可以在更廣泛的空間當(dāng)中改進(jìn)治療方案等等。中國(guó)在外科機(jī)器人商用方面做得非常成功，醫(yī)療機(jī)器人看起來(lái)利潤(rùn)也是不錯(cuò)的。
更多地給大家介紹下微型機(jī)器人，早在多年前科幻作品就提到了這一點(diǎn)。1966年好萊塢電影《神奇旅程》當(dāng)中一艘潛艇只有紅血球那么大，注入到了患者的身體里面，工作就是拯救病人，建議大家看一看這個(gè)電影。我們從好萊塢電影當(dāng)中獲得了很多啟發(fā)，好萊塢是有一些工程師沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗麄儾挥脫?dān)心物理學(xué)的問(wèn)題，可以隨意想象，也不用擔(dān)心制造這些產(chǎn)品，我們要想做微型機(jī)器人必須要考慮這些問(wèn)題。因?yàn)檫@種機(jī)器人并不廉價(jià)，需要很多的公共投資，我們?cè)谖⑿蜋C(jī)器人開(kāi)發(fā)的里程上非常關(guān)注未來(lái)的商業(yè)潛力。我們經(jīng)常會(huì)思考的是我們的商業(yè)計(jì)劃，多少人可以從中受益，也要考慮到這個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)利持有情況，最后制定一個(gè)可行的商業(yè)計(jì)劃。需要所有的一切因素都整合在一起，最后才能開(kāi)發(fā)出微型機(jī)器人。
要做微型機(jī)器人的話，怎么讓它移動(dòng)呢？比如把微型機(jī)器人放進(jìn)一個(gè)人的身體當(dāng)中是要用電池嗎？我們要做的一種方式就是磁力驅(qū)動(dòng)，核磁共振的磁性驅(qū)動(dòng)其實(shí)是一種非常有效的方法，這里也是有兩種方法：如果有一個(gè)磁鐵就像鐵一樣，它的磁場(chǎng)的力是有大有小的，意味著移動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中磁力的大小是不一樣的。如果對(duì)它進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的話就會(huì)產(chǎn)生磁力矩，通過(guò)這種方式可以移動(dòng)一些東西，這也是我們所做的原型，也是第一次將這種小的磁性設(shè)備，比如毫米級(jí)別的磁性物體以非常精準(zhǔn)的方式移動(dòng)。
這個(gè)東西到底可以做什么呢，身體當(dāng)中可以用在哪里呢？比如可以用在眼睛當(dāng)中，因?yàn)樵谧鲅劭莆⑿褪中g(shù)也是非常困難的。最開(kāi)始我們看的是眼部紅斑變性疾病，失明率可以達(dá)到將近10%。當(dāng)然，之前大多數(shù)對(duì)這種疾病的治療是在玻璃體內(nèi)進(jìn)行注射，我的奶奶之前就失明了，所以如果能夠有這樣的治療方式也許就能夠恢復(fù)光明，現(xiàn)在很多人也有這樣的潛在需求。這是給電視臺(tái)做的微型視頻，可以把這種東西注射到眼部，然后進(jìn)入視網(wǎng)膜該去的位置。這幾年我們不斷開(kāi)發(fā)小型磁性控制裝置，可以應(yīng)用在小型動(dòng)物當(dāng)中，甚至有些1/3毫米大小的東西可以非常準(zhǔn)確地移動(dòng)。目前我們已經(jīng)在動(dòng)物身上做了實(shí)驗(yàn)，甚至在頭發(fā)那么細(xì)的級(jí)別進(jìn)行準(zhǔn)確的移動(dòng)，也在活體動(dòng)物上面做了實(shí)驗(yàn)。
除了眼部手術(shù)，還可以應(yīng)用在其它領(lǐng)域，比如治療心臟疾病，心臟還是有很多事情可以做的。我們不可能把微型機(jī)器人注射到人體內(nèi)，因?yàn)樵隗w內(nèi)有太多的血液流動(dòng)，但可以做的是通過(guò)利用一些小的顯微鏡進(jìn)行操控，例如治療心律不齊這樣的疾病，也就是可以對(duì)整個(gè)心臟的系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)置。現(xiàn)在我們已經(jīng)做了一些臨床的實(shí)驗(yàn)，可以看到這是一個(gè)心臟導(dǎo)管，輸入心臟以后可以將它直接導(dǎo)入心臟里面，甚至可以觸碰各個(gè)地方來(lái)看這種心臟的信號(hào)是否是正常能夠產(chǎn)生的，這種技術(shù)現(xiàn)在也已經(jīng)在臨床開(kāi)始使用了，外科醫(yī)生坐在外面操控機(jī)器指導(dǎo)這個(gè)設(shè)備為病人做手術(shù)。這里其實(shí)不用自己控制這個(gè)導(dǎo)管，遠(yuǎn)程就可以控制，這也是未來(lái)醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展方向，外科醫(yī)生甚至不用在病人旁邊就可以操縱手術(shù)。
看一看這種磁力的內(nèi)窺鏡，這是和香港中文大學(xué)合作，也是一種非常小的磁力導(dǎo)航內(nèi)窺鏡，可以檢查腸胃。現(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目仍然在進(jìn)行的過(guò)程當(dāng)中，我們已經(jīng)和香港的外科醫(yī)生從2016年到2017年開(kāi)始合作研究。很多和紅細(xì)胞大小的機(jī)器人可以發(fā)現(xiàn)疾病、治療疾病，看一看如何能夠控制它的動(dòng)向，因?yàn)樗浅５男。晕覀冞€要重新思考它們的使用情況。
作為工程師，要想去突破的話，很多時(shí)候要去觀察自然。通過(guò)觀察細(xì)菌，可以發(fā)現(xiàn)它的游動(dòng)是非常有規(guī)律的。比如伊波拉病毒其實(shí)已經(jīng)有幾百年的時(shí)間了，如果在顯微鏡下去看的話就可以看到它的游動(dòng)規(guī)律，就像一個(gè)小尾巴一樣。這是自然教會(huì)我們的東西，通過(guò)這種轉(zhuǎn)動(dòng)前行的方式可以很靈活地移動(dòng)，可以將這樣的移動(dòng)方式應(yīng)用到納米技術(shù)當(dāng)中。
這是人造細(xì)菌實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這種東西可以游入各種液體當(dāng)中，但可以攜帶一些東西。我們是在2012年做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，也是一個(gè)非常小型的機(jī)器人，其實(shí)和人的頭發(fā)粗細(xì)差不多。這些技術(shù)都是我們研究出來(lái)的，并且我們也要更好地研究它們的移動(dòng)方式。當(dāng)然，我們希望這些東西能夠完成一些任務(wù)，綠色的周?chē)且恍┛谇患?xì)胞，可以看到還有一些小的細(xì)胞，右邊還有一些腎臟細(xì)胞，甚至可以在這些小型機(jī)器人身上附著一些DNA，然后把DNA轉(zhuǎn)到這些細(xì)胞當(dāng)中。很多小型機(jī)器人甚至可以穿越皮膚，甚至把8萬(wàn)多個(gè)小型細(xì)胞注入到大鼠當(dāng)中，然后對(duì)它進(jìn)行追蹤，注入活體當(dāng)中進(jìn)行移動(dòng)，然后看一看會(huì)有什么問(wèn)題。
這些微型機(jī)器人其實(shí)很難設(shè)計(jì)的，靈活度也較差。這里顯示的是布氏錐蟲(chóng)的生命周期，可以造成一些人類(lèi)的疾病，甚至?xí)M(jìn)入大腦造成死亡。通過(guò)這些寄生蟲(chóng)也能夠獲得一些靈感，可以了解它的游動(dòng)方式，把它應(yīng)用到一些藥物和治療的方法當(dāng)中。我們甚至也可以用它制作一些聚合物，這些聚合物能夠幫助小的微型機(jī)器人更好地移動(dòng)，雖然還有很多選擇和探索的空間。我們需要選擇這種磁性的物質(zhì)，所以在做微型機(jī)器人的時(shí)候物料選擇也要有更多的研究。
現(xiàn)在微型機(jī)器人主要應(yīng)用在大型手術(shù)中，未來(lái)甚至可以越變?cè)叫。梢杂迷趯?dǎo)管里面，也能夠達(dá)到細(xì)胞和組織的級(jí)別。現(xiàn)在我們也在和其它機(jī)構(gòu)做這樣的研究，包括這些小型機(jī)器人生物適用性的問(wèn)題，方向還是沒(méi)有問(wèn)題的，我們也對(duì)未來(lái)的前景很興奮。
未來(lái)的發(fā)展方向是怎樣的呢？這種微納米機(jī)器人現(xiàn)在我們已經(jīng)把它應(yīng)用在了更多的活體當(dāng)中，需要理解這些微納米機(jī)器人和環(huán)境的互動(dòng)方式，所以需要了解周?chē)奈锢砗突瘜W(xué)環(huán)境。現(xiàn)在微納米機(jī)器人目前還沒(méi)有應(yīng)用在人類(lèi)的身體上面，但在未來(lái)五到十年當(dāng)中這種技術(shù)一定會(huì)應(yīng)用在人體當(dāng)中，比如心臟和腸胃。之后我們也要拭目以待，看一看誰(shuí)會(huì)最開(kāi)始將這些技術(shù)應(yīng)用在人體當(dāng)中，什么時(shí)候這些技術(shù)會(huì)真正應(yīng)用在人體上面。
當(dāng)然還有很多基礎(chǔ)工作要做，這是個(gè)非常令人興奮的領(lǐng)域，包括這種傳感的技術(shù)、規(guī)劃的技術(shù)，目前還有很多問(wèn)題需要解決。我們也和很多的醫(yī)生共同合作去做一些應(yīng)用，包括手術(shù)室的這些手術(shù)到底該怎么做，這些都是非常重要的
問(wèn)題，聚合物和機(jī)器人之間如何進(jìn)行互動(dòng)、3D納米技術(shù)也帶來(lái)了巨大的機(jī)會(huì)，使得我們可以在這個(gè)級(jí)別作出更多的事情。物料也是非常重要的，很多材料工程師每天在幫助我們選取最好的、適用于這個(gè)領(lǐng)域的材料。
最后講一講醫(yī)療機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域會(huì)有什么發(fā)展，目前在中國(guó)人們的醫(yī)療服務(wù)接受度明顯是不夠的，未來(lái)會(huì)有更多的醫(yī)療需求，現(xiàn)在醫(yī)療機(jī)器人也有很多成功的公司，人們現(xiàn)在也看到了這個(gè)領(lǐng)域的未來(lái)，包括強(qiáng)生這樣的大型公司都在進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，還有傳統(tǒng)醫(yī)療的公司也看到了這個(gè)領(lǐng)域的前景。當(dāng)然，要想將想法變成現(xiàn)實(shí)還是需要很多的時(shí)間，所以要把機(jī)器人輸入到人體當(dāng)中確實(shí)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，并不像機(jī)器人掃地那么簡(jiǎn)單。與此同時(shí)，這個(gè)機(jī)器人要想進(jìn)行使用的話需要通過(guò)美國(guó)FDA和中國(guó)SFDA的審批。
當(dāng)然，這個(gè)領(lǐng)域失敗的例子也有很多，機(jī)器人在過(guò)去的幾十年當(dāng)中的能力也是一直被我們低估的。我們知道實(shí)際手術(shù)當(dāng)中的做法是非常復(fù)雜的，很多時(shí)候我們對(duì)實(shí)際任務(wù)的理解總是想得太簡(jiǎn)單了，而且很多解決問(wèn)題的時(shí)候方式也是有問(wèn)題的。這些工程師很多時(shí)候想事情的方式和醫(yī)生還是不太一樣的，但現(xiàn)在我們和醫(yī)生的溝通也越來(lái)越多，保證能夠?qū)@些手術(shù)有更好的了解。實(shí)驗(yàn)室到真正的使用必須要一步一步地做，不能在手術(shù)室說(shuō)有一個(gè)非常好的機(jī)器能夠在人身上使用，這是不可能的，從實(shí)驗(yàn)室到人體的試用需要大量的時(shí)間，必須要一步一步去走，所以學(xué)術(shù)當(dāng)中每一點(diǎn)進(jìn)步都是非常重要的。商業(yè)模式也是非常困難的事情，和傳統(tǒng)制造服務(wù)機(jī)器人是不太一樣的。
機(jī)器人手術(shù)當(dāng)中，我們希望它能夠在全世界進(jìn)行應(yīng)用，不希望只是在一部分地區(qū)使用。全世界有80億人，現(xiàn)在至少有50億人用不上這種手術(shù)的資源，也就是說(shuō)有50億人如果有疾病的話根本無(wú)法接受手術(shù)，這也是未來(lái)醫(yī)療機(jī)器人要解決的問(wèn)題。這個(gè)領(lǐng)域有很多的事情可以做，但從醫(yī)療機(jī)器人的角度來(lái)說(shuō)，它的成本必須大幅度下降，要把它做得更為便宜才可以，未來(lái)成本肯定是會(huì)降下來(lái)的。最后就是對(duì)外科醫(yī)生的培訓(xùn)和遠(yuǎn)程的系統(tǒng)操作也是非常重要的，比如一些心臟手術(shù)如果能夠遠(yuǎn)程控制的話就更好了。
總體而言，隨著這項(xiàng)技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，能夠進(jìn)入真實(shí)的世界和手術(shù)當(dāng)中，我們必須要降低它的成本，把流程做得更為簡(jiǎn)單，速度也會(huì)更快，這些要求都是非常現(xiàn)實(shí)的。