科學家用磁場操縱藻類機器人

　　2017-11-28 09:00機器人

　　

　　螺旋藻 圖片來源：《科學》

　　本報訊 幾十年來，工程師們一直在努力打造能夠在人體內部運送藥物或進行手術的醫療機器人——這在1966年的科幻電影《奇異之旅》中並沒有多麼神奇。

　　現在，通過對磁信號的響應，科學家已經能夠操縱螺旋藻——一種微小的植物和食物補充劑——從人體中穿過。這種生物混合機器人有朝一日可以將藥物運送到身體的特定部位，從而減少副作用。更有甚者，這種機器人以及它的磁場似乎可以殺死癌細胞。

　　作為一種海藻，螺旋藻看起來就像一個微小的螺旋狀彈簧。在微觀層面，研究人員一直在嘗試用桿、管、球，甚至不比細胞大的籠子製造機器人，並取得了不同程度的成功。

　　在這些微型設備上安裝有足夠動力的電源是一項相當具有難度的挑戰，因為大多數潛在的燃料對人類都是有害的。另一個問題是，為這種微型機器人在身體的蛋白質和其他分子迷宮中導航，需要一種控制其運動並觀察其位置的方法。

　　因此，中國香港中文大學的材料科學家張力（音譯）就把目光轉向了磁性和生物有機體。在身體外部產生的磁場可以穿透活體組織而不對其產生傷害，從而使得研究人員能夠在體內移動磁化的物體。

　　為了最大限度地提高移動性，能夠快速旋轉的螺旋體無疑是最好的。也就是說加入螺旋藻。「你能在自然界中找到這樣一個方便的結構並且表現得非常好，這是很讓人驚訝的。」並未參與該項研究的Peer Fischer說。他是德國斯圖加特市馬克斯·普朗克學會智能系統研究所的物理化學家。

　　幾年前，張力和他的同事曾把海藻作為一種合成微機器人的靈感來源，並在某種程度上起到了作用。這一次，科學家們決定使用海藻本身。

　　他們需要一種方法追蹤在人體內的機器人，而海藻則能夠產生一種熒光。研究人員於是尋思，他們是否可以通過檢測這種熒光追蹤機器人在身體表面附近的軌跡，然後使用一種常用的被稱為核磁共振(NMR)的醫學成像技術，在身體的更深處追蹤它。NMR通過檢測在成像前提供給病人的磁性粒子來工作。

　　研究人員開發了一種一步合成法來磁化海藻——用氧化鐵納米顆粒包裹了數百萬個螺旋藻。較長的浸出時間可以實現更多的控制，但是較短的浸出時間卻使研究人員能夠更容易地檢測到熒光。當機器人對於這種方法來說因太深而無法操作時，NMR仍然可以跟隨機器人的路線，這是緣於後者的塗層。研究人員11月22日在《科學機器人》雜誌上報告了這一研究成果。通過NMR，研究人員觀察到，在磁場引導下，微型機器人在老鼠的胃裡聚集。

　　美國加利福尼亞大學聖迭戈分校納米工程師Joseph Wang說：「這是一個進步，你可以在身體內追蹤這些游泳者。」他正在開發一種不同的醫療微機器人。「它具有生物相容性和低成本。」

　　生物相容性是一個非常重要的特性。微型機器人會在數小時或數天內降解，這取決於其塗層的厚度；但它不會損害大多數細胞。唯一的例外是癌細胞——在實驗室培養皿中生長的腫瘤細胞，大約有90%在暴露於螺旋藻中48小時后被殺死了。進一步的測試表明，螺旋藻會產生一種僅對癌細胞有毒性的化合物。「殺死腫瘤細胞的行為似乎是一個有趣的、意想不到的特徵。」Fischer說。

　　但是對於全世界現有的6支正在開發這種微型機器人的研究團隊來說，未來還有很長的路要走。例如，張力的團隊仍然需要證明他們的微機器人可以攜帶貨物——例如在螺旋體中附著的藥物，並且能夠比服用或注射更有效地傳遞這些藥物。

　　「它還沒有準備好供醫生使用。」Wang說，但他認為再過10年，這項技術可能就已經準備好了。「每個人都想實現這個奇妙的旅程。」