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我們的創科故事6/科幻電影啟發靈感 軟體機械人走進體內治療

時間:2023-05-29 04:23:54來源:大公报

  圖:中大機械與自動化工程學系教授張立率領團隊,研發用於微創腔內介入治療的磁性「史萊姆」機械人,早前於日內瓦國際發明展奪得金獎。/大公報記者林良堅攝

  「史萊姆」一詞來自英文「slime」,是一種在電子遊戲與奇幻小說中時常出現的虛構生物,其流行形象是一種凝膠狀、可以變換形狀、能夠分裂或融合的黏狀物質。「我們這個機械人的名字就是從中獲得靈感」,香港中文大學機械與自動化工程學系張立博士介紹說。

  張立團隊研發的用於微創腔內介入治療的磁性「史萊姆」機械人,在第48屆瑞士日內瓦國際發明展獲得金獎。張立對《大公報》表示,這種變形機械人具有自癒合能力和良好的環境適應性,在體內能執行高難度的醫療任務,例如幫助誤吞東西的小孩把異物排出體外。「我們正在完善技術,拓展該機械人應用範圍,例如在工業上可代替工人在高風險環境下維修電路板等等。」/大公報記者 蘇薇

  這款機械人的靈感源於八爪魚和科幻電影《毒魔》、《終結者》(港譯《未來戰士》)中的液態機械人。據張立博士介紹,磁性「史萊姆」機械人的材料其實很簡單,主要以水凝膠和磁性顆粒「釹鐵硼」製成,結合了固體和流體兩種形式的優勢,可以整合不同功能性的微納米材料。

  在磁力控制系統,如磁性機械臂、電磁線圈等的操控下,該機械人不僅可以輕鬆穿越狹小的通道或是障礙物,在外加磁場的作用下還能實現任意的變形、移動及抓住和包裹物件。「它能猶如八爪魚般抓住目標物件,再將物件送到目標位置。」

  可「執走」兒童誤吞異物

  張博士表示,兒童誤吞電池、硬幣等異物的事故經常發生,如遇尖銳異物或電池內的電解液洩漏,隨時危及生命。張立團隊和中大醫學院合作,希望利用該技術,讓病人可以如吞藥丸般將「史萊姆」機械人吞進肚內,醫生再利用帶有磁性的機械臂遙控機械人,遇到體內的外物時會伸出「觸手」,把其包裹並慢慢排出體外,減輕病童因進行內窺鏡或開腹手術而承受的痛苦及風險。他強調,團隊的細胞毒性測試證實,機械人可在體內停留48小時,目前對人體相對無害。

  配合機械臂遙距操控

  然而,想要把「史萊姆」機械人真正運用到醫療上,還需要經過不少挑戰。張立博士解釋,與展示用的胃部模型不同,人的消化道實際上是會蠕動的,且胃部、腸道內更含有不同種類的消化液,這些都會影響到「史萊姆」機械人的穩定性。

  另外,要應用於人體內,高度精準的實時操控亦十分重要。首先磁鐵在體外操控,可能因為距離過遠影響磁性「史萊姆」機械人的響應能力。「要讓機械人實現『包裹』這樣複雜的動作還需要有豐富的經驗,人手操控磁場很難做到高精準度,必須配合一個智能的機械臂控制系統來完成。不僅可以自動操作,當遇到問題時醫生亦可以切換為手動模式,還要能夠配合醫院的影像設備,如X光、超聲波等等來進行。」張博士說。

  張立博士透露,團隊與醫學院的相關合作現正進行到第一代「史萊姆」機械人的動物實驗環節,並在總結經驗後,繼續研發第二代「史萊姆」機械人時,希望能在材料選擇和其磁力控制系統上有新的突破,做出穩定性更強的「史萊姆」機械人,「希望它最終能成為醫生的第三隻機械手,輔助完成一些高難度的醫療操作。」

  助微創及無創治療

  軟體機械人一直是機械人技術的一個研究熱點。張立博士憶述,2012年自己加入香港中文大學後,便帶領一眾博士生探索微型機械人學及其生物醫學應用。「人體內許多器官都很複雜,很難直接通過內窺鏡或者是通過導管技術達到。舉例說,如果你的胃覺得不舒服,醫生可能會安排照胃鏡,但是胃鏡的直徑非常粗,整個過程會讓人很不舒服。」

  他一直在探索如何設計出無纜化、微型化設計的微型機械人,「正是因為有了前面十餘年經驗的積累,所以這次能比較順利地研發出這款機械人,希望能真正在醫療上進行微創或者無創的應用。」

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