這是一款可轉向的磁控線形機器人，可以在腦血管這樣的狹窄空間主動滑行，重要的是，這種血管造影導絲具有在迂曲血管中強大的穿越能力。

圖 導絲軟機器人游走在人類顱內動脈多發性動脈瘤硅膠模型中，導絲直徑為 0.6 毫米。（來源：趙選賀）

可以想象得到，將來醫生可以遠程操控這種機器人，輔以現有的血管治療手段來治療腦阻塞和病變。

8 月 29 日，這項來自麻省理工學院機械工程系副教授趙選賀（Xuanhe Zhao）團隊的研究發表在《科學機器人》（Science Robotics ）。

問題的關鍵在導絲

中風即腦卒中，是中國人的頭號殺手。來自中國疾病預防控制中心的數據觸目驚心，我國現有中風患者 7000 萬人，每年新發中風 200 萬人，每 12 秒就有一個中國人發生中風。

醫學界認為，如果能在發病后 90 分鐘內進行治療，患者的生存率會得到顯著增加。那么，如果能設計出在這個黃金時段內阻止血管阻塞的裝置，就有可能避免腦組織的永久性損傷。

目前，醫院普遍采用的血管介入治療需要技術熟練醫生進行操作。這是一種微創治療方式，僅需要在皮膚上開幾毫米大小的切口，在腿部或腹股溝主動脈處插入導管和導絲，目的是讓導管通過即可，之后醫生在X射線造影引導下，通過導管導絲前進或旋轉，待導管攜帶的支架到達病灶部位釋放后，再撤回導管導絲。

這個過程有不少問題。

其一，人體血管彎曲且分支較多，尤其是腦血管更加細小復雜，長時間的手術過程中容易出現手術操作失誤。

其二，醫生手術時往往穿厚重的防輻射鉛衣，這加重了醫生的負擔，且這種防輻射的方法不能保證醫生完全避免輻射。

其三，微創手術非常考驗醫生的操作水平，能熟練操作手術的醫生數量遠遠少于病患所需。在偏遠城市或農村地區，這種現象尤為突出。

目前已經有多種手術機器人研究旨在克服上述障礙。這些機器人利用磁導航、記憶合金、鋼絲繩索、液壓來控制導絲速度和方向。然而這些機器人都遇到小型化挑戰，如今最先進的線形機器人更多用于心臟和外周血管干預，但無法用到血管更細小、更曲折的神經外科。

趙選賀團隊希望設計一款遠程控制的微型導絲機器人，可以巡航復雜微小血管網絡，也減少醫生受到的輻射。

磁控軟體機器人來穿針引線

視頻 磁控軟體機器人游走在人類顱內動脈多發性動脈瘤硅膠模型中，避免了接觸血管內壁，導絲直徑為 0.6 毫米。（來源：Science Robotics）

視頻 水凝膠皮膚的軟體機器人與目前的商業導絲在模型中的使用對比。（來源：Science Robotics）

趙選賀團隊這款導絲稱為鐵磁軟機器人。

它由磁性軟材料構成，其中磁化或可磁化的微粒均勻分布在軟質聚合物基質中，那么這就可以經過打印或注塑得以實現亞毫米的小型化制造。同時，利用外部磁場可以精確控制這款軟機器人，讓它在血管內蜿蜒爬行。

為了克服軟機器人在血管中穿越遇到的摩擦力，研究人員讓只有 10 微米到 25 微米厚度的水凝膠皮膚生長在機器人表面，因其是水合交聯聚合物，可有效降低表面摩擦。研究人員在血管模型中試驗發現，機器人的水凝膠涂層可以讓導絲擁有光滑屬性，能夠在緊湊的血管內滑行而不會卡住。相比之下，現有的手動導絲前進中在血管壁上有明顯的拖行和摩擦，在分叉處需要手動導向，其前進速度比磁控軟體機器人慢很多，而且不容易到達復雜的微小血管分叉。

如今這個軟體機器人已經在人體腦血管的硅膠模型上得到驗證，研究人員使用一塊大磁鐵，讓導絲穿針引線般精確到達了病灶區域。

圖 激光磁控軟體機器人游走在人類顱內動脈多發性動脈瘤硅膠模型中，可以消除血栓，導絲直徑為 0.5 毫米。（來源：趙選賀）

機器人導絲可以被賦予更多功能，比如遞送藥物或用激光破壞掉血凝塊。研究人員可以用光纖替換掉鎳鈦合金核芯，這樣機器人還可以用激光來處理堵塞血栓。

這個研究也是趙選賀團隊過去幾年研究的集成。他們發明了水凝膠材料和磁控材料。前者是一種生物相容性材料，后者可以設計用來爬行、跳躍和抓取的 3D 打印磁力驅動材料。他們正是將兩者結合創造出這款機器人導絲。

由于機器人導絲無需外科醫生手工操作，也就意味著醫生不必靠近患者和輻射設備，這就減少了醫生遭受的輻射。

專訪趙選賀：導絲機器人比傳統導絲巡航速度快幾倍

DeepTech：外部磁場是如何施加的，是直接加上一塊大磁鐵嗎？如果只是加一塊磁鐵，導絲速度和方向的精確控制是如何實現的呢？

趙選賀：在這次報道的工作中是通過一塊磁鐵控制導絲機器人的。基于我們對機器人的設計（例如軸向磁極化等）和對機器人在磁場下形變的理解，即使用一塊磁鐵也可以達到比較精準的控制。另外，現在已經有商業化的醫療磁場發生裝置。在以后的工作中我們會引入這些裝置，更精確地控制磁場。

DeepTech：我們理解的機器人大都是計算機操控，那么這個線形機器人之所以被稱為機器人，僅僅是因為磁場操控嗎？

趙選賀：現在的機器人大多是通過計算機控制的，而且大多是由堅硬的零件構成的。而我們這個工作代表一個新興的領域：軟體機器人，特別是軟體機器人在醫療中的應用。在本工作中，我們展示了導絲軟體機器人可以在外加磁場的控制下，巡航復雜神經血管網絡。在未來工作中，我們會引入計算機更準確地調控磁場，來控制導絲軟體機器人完成各種工作。

DeepTech：這個研究的突破在于兩方面，由于磁性材質能夠打印或注塑，那么亞毫米小型化就能實現；另外水凝膠表面讓機器人在血管里的摩擦力大大減少。不知這個理解是否準確？

趙選賀：這個總結很好。這個工作對于軟體機器人領域是一個突破，因為：a. 磁控實現了無繩驅動；b. 打印或注塑一體成型，實現了微型化；c. 提供了軟體機器人的精準模型，便于精確設計和控制。

另外，對于在人體內的應用，機器人上的水凝膠皮膚降低了摩擦系數十倍以上。這是軟體機器人在醫療應用上的一個突破。

DeepTech：我看了視頻材料，有兩個疑問：其一，鐵磁軟機器人在血管內的穿行速度明顯快于對照組，那么能不能估計對于一般導絲手術的時間能縮減多少？其二，摩擦力的減少有沒有定量的數據呢？

趙選賀：傳統J形導絲的巡航需要醫生扭轉導絲達到合適的角度。在巡航過程中，J形尖端在血管中拖動，而且有時需要從病人身體中取出導絲，改變J形的半徑，才能巡航到病灶。我們的軟體導絲機器人，尖端在不加磁場時是直的；在需要彎曲時，外加磁場，可以快速在血管中巡航。如果考慮有時需要把靜態導絲取出重新巡航， 導絲機器人可能比靜態導絲巡航速度快幾倍。在未來工作中，我們會根據具體任務做定量的測試。

至于摩檫力，我們有定量測量，水凝膠皮膚降低摩檫力 10 倍以上。

DeepTech：這個研究是在你們此前研究的基礎上發展出來的，比如水凝膠的研究和磁控材料研究，那么能不能簡要介紹一下這個繼承沿襲的研究過程與思路？同時，我們也很想知道，你們下一步會研究會在哪些方面繼續？

趙選賀：我們組的研究基本上都是先做基礎研究，搭建技術平臺，然后在平臺上找對社會最有影響力的工作。中風是中國人目前死亡的頭號誘因，而中風如果得到及時救治是可能逆轉的。然而微創手術非常考驗醫生的操作水平，能熟練操作手術的醫生數量遠遠少于病患所需。在偏遠城市或農村地區，這種現象尤為突出。我們覺得遠程控制微創手術機器人，是一個有影響力的方向。

趙選賀簡介

圖 趙選賀。（來源：麻省理工學院）

趙選賀，美國麻省理工學院機械工程系副教授。2003 年畢業于天津大學，2009 年博士畢業于哈佛大學機械工程系，師從國際著名力學家鎖志剛教授。2010年 他加入杜克大學機械工程與材料科學系擔任助理教授，2014年加入麻省理工學院機械工程系擔任副教授。趙選賀實驗室（zhao.mit.edu）的使命是推動人機界面科學和技術的進步，解決醫療、可持續發展、教育等重大社會問題。

他目前的研究項目集中在固體力學、軟材料、活性材料、生物材料、生物電子學和3D打印等交叉領域。

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