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  1990-2017年中國居民疾病譜顯示，中風(fēng) （stroke）已經(jīng)成為國人死亡的頭號誘因，中風(fēng)在美國也是致殘的頭號疾病。動脈阻塞引起的缺血性中風(fēng)約占總數(shù)的 85％，作為威脅人類健康的重要殺手，亟待及時有效的治療手段。

  今天，MIT趙選賀團(tuán)隊在Science Robotics （4, eaax7329, 2019）發(fā)表論文，首創(chuàng)磁控軟體導(dǎo)絲機器人，有望幫助醫(yī)生在遠(yuǎn)程控制下，針對復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行快速導(dǎo)航和微創(chuàng)手術(shù)（圖一），為缺血性中風(fēng)的治療提供了重要的潛在工具。

圖一 : 磁控軟體導(dǎo)絲機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

1、血管介入微創(chuàng)手術(shù)

  血管介入微創(chuàng)手術(shù)可通過擴張狹窄動脈、改善局部血供等途徑有效預(yù)防、治療缺血性血管病。該術(shù)式通常由醫(yī)生在透視設(shè)備的輔助下，經(jīng)血管利用導(dǎo)絲將球囊/支架送至動脈狹窄處，釋放并擴張球囊/支架，以達(dá)到恢復(fù)血管正常生理解剖和局部血供的目的。導(dǎo)絲在球囊/支架推送過程中起到至關(guān)重要的作用。臨床實踐發(fā)現(xiàn)，由于目前所用導(dǎo)絲本身不具有方向選擇性和動力，所以手術(shù)中依靠醫(yī)生憑借經(jīng)驗通過手動旋轉(zhuǎn)、推送導(dǎo)絲等操作不斷調(diào)整球囊/支架（圖二），使之到達(dá)患處。

圖二：現(xiàn)有腦血管介入手術(shù)的導(dǎo)絲和醫(yī)生操作方法

  基于以上特點，當(dāng)前的手術(shù)方法主要有以下幾個弊端：

1. 手術(shù)時間較長。在血管交叉處需要手動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)絲，使其進(jìn)入正確的分支，在導(dǎo)絲進(jìn)入血管網(wǎng)絡(luò)一段距離后，由于導(dǎo)絲與血管壁摩擦的影響，該操作很難一次成功，導(dǎo)致整個手術(shù)過程很長。然而急性缺血性腦血管病發(fā)病后早一秒重建缺血部位血液循環(huán)，患者受損傷的腦組織就更少，康復(fù)情況也會更好。

2. 對醫(yī)生輻射量較大。由于從事該手術(shù)的醫(yī)生常年要在不間斷造影下觀察導(dǎo)絲前端運行到的位置，累積起來所受輻射會對其身體健康產(chǎn)生影響。

3. 缺乏有經(jīng)驗的醫(yī)生。血管介入性手術(shù)非�？简炨t(yī)生的操作水平，能熟練操作手術(shù)的醫(yī)生數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于病患所需。在偏遠(yuǎn)城市或農(nóng)村地區(qū)，這種現(xiàn)象尤為突出。

2、遠(yuǎn)程磁控軟體導(dǎo)絲機器人

  針對當(dāng)前血管介入微創(chuàng)手術(shù)的局限和弊端，MIT趙選賀團(tuán)隊首創(chuàng)磁控軟體導(dǎo)絲機器人。有望幫助醫(yī)生在遠(yuǎn)離放射源的遠(yuǎn)程控制下，針對復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行快速導(dǎo)航和微創(chuàng)手術(shù)。磁控軟體導(dǎo)絲機器人的發(fā)明是基于趙選賀團(tuán)隊在打印磁性智能軟機器和醫(yī)療儀器水凝膠皮膚兩個原創(chuàng)領(lǐng)域的成果 (圖三)。

圖三：磁控軟體導(dǎo)絲機器人結(jié)合了MIT趙選賀團(tuán)隊在打印磁性智能軟機器和醫(yī)療儀器水凝膠皮膚兩個原創(chuàng)領(lǐng)域的成果。

  趙選賀團(tuán)隊首先將鐵磁軟材料油墨打印成直徑只有幾十到幾百微米的軟體導(dǎo)絲，同時編輯軟體導(dǎo)絲中鐵磁疇的分布（例如，軸向極化）。然后在鐵磁軟體導(dǎo)絲上生長一層十幾微米厚的水凝膠皮膚，減少鐵磁軟體導(dǎo)絲的摩擦系數(shù)十倍以上。在外加磁場的遙控下，鐵磁軟體導(dǎo)絲機器人可以向任意方向偏折、旋轉(zhuǎn)，快速巡航復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò) (圖四)。

圖四： 磁控軟體導(dǎo)絲機器人基于：A.打印鐵磁軟材料油墨成鐵磁軟體導(dǎo)絲，B.在導(dǎo)絲上生長超滑水凝膠皮膚，C.遠(yuǎn)程磁控鐵磁導(dǎo)絲的形變。

  趙選賀團(tuán)隊首先演示在外加磁場的控制下，鐵磁軟體導(dǎo)絲機器人可以快速準(zhǔn)確的穿越一系列直徑2~3毫米的密集排布的孔洞。全程無需手動扭轉(zhuǎn)導(dǎo)絲。然后，趙選賀團(tuán)隊將鐵磁軟體導(dǎo)絲機器人應(yīng)用在真人大小的腦血管模型中。該模型是通過CT掃描病人腦血管，然后由柔軟硅橡膠3D打印而成。腦血管模型還灌注了血液模仿劑，模仿腦血管內(nèi)的摩擦和粘性等環(huán)境。在外加磁場的控制下，鐵磁軟體導(dǎo)絲機器人可以快速巡航該復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)，最小血管內(nèi)壁直徑只有2.5毫米左右。在血管分叉處，外加磁場可以遠(yuǎn)程控制導(dǎo)絲機器人向需要前進(jìn)的方向偏折，無需手動扭轉(zhuǎn)導(dǎo)絲。在進(jìn)入預(yù)定的血管后，導(dǎo)絲機器人前端又恢復(fù)直線形狀，減少前進(jìn)中和血管壁的摩擦。另外，導(dǎo)絲機器人在血管患處（例如，血管瘤）可以進(jìn)行各種磁控形變，為進(jìn)一步處理和治療做準(zhǔn)備。

  相比之下，現(xiàn)有的手動導(dǎo)絲前進(jìn)中在血管壁上有明顯的拖行和摩擦。在分叉處需要手動扭轉(zhuǎn)導(dǎo)絲來選擇前進(jìn)方向。前進(jìn)過程比磁控軟體導(dǎo)絲機器人慢很多，而且不能到達(dá)復(fù)雜的微小血管分叉。

  趙選賀團(tuán)隊進(jìn)一步展示了多功能磁控軟體導(dǎo)絲機器人。例如，團(tuán)隊可以在磁控軟體導(dǎo)絲機器人中加入光導(dǎo)纖維。這樣當(dāng)機器人達(dá)到患處時，有可能用激光來處理堵塞淤血等。在未來的工作中，團(tuán)隊希望在磁控軟體導(dǎo)絲機器人中引入各種精準(zhǔn)傳感器，實現(xiàn)微流體給藥、超聲以及電治療等功能。

3、大家點評

  首爾國立大學(xué)著名教授、軟體機器人未來科技中心主任Kyu-Jin Cho對磁控導(dǎo)絲機器人評論說：

  “One of the challenges in surgery has been to be able to navigate through complicated blood vessels in the brain, which has a very small diameter, where commercial catheters can''t reach. This research has shown potential to overcome this challenge and enable surgical procedures in the brain without open surgery. 

  Many researchers have been developing microscale ferromagnetic soft robots to be used for medical purposes, but they are still in the stage of basic research. However, this research by Prof. Zhao has shown great potential of ferromagnetic soft robot to be used in practical surgical procedures by using traditional catheter/guidewire design combined with ferromagnetic material coated on the wire with a soft material. It is simple, more robust and safer in design, than other technologies that have been developed so far. This new continuum robot design is practical in many ways and should be able to address the issues that brain surgeons needed.”

4、作者展望

  隨著老齡化社會的到來，病患數(shù)量的增加和熟練手術(shù)醫(yī)生的不足將成為越加尖銳的社會矛盾。5G網(wǎng)絡(luò)和人工智能的成熟普及，有望為遠(yuǎn)程智能操控手術(shù)機器人提供技術(shù)平臺，大大提高醫(yī)生的效率和能力。因此遙控智能手術(shù)機器人的開發(fā)，已經(jīng)成為一個有望解決社會重大需求的交叉性學(xué)科。同時，人體器官（例如大腦、脊髓、心臟、肌肉、皮膚等）大多是由軟體材料組成的，因此軟體機器人在和人體接觸的應(yīng)用中具有天然的優(yōu)勢。磁控軟體導(dǎo)絲機器人兼具柔軟性、微型化、3D打印、精準(zhǔn)模型、遠(yuǎn)程控制、多功能等優(yōu)勢，為未來手術(shù)機器人的設(shè)計和制造指出了一個新方向。

團(tuán)隊簡介

  該工作由MIT趙選賀團(tuán)隊主導(dǎo)完成。通訊作者趙選賀博士是MIT終身教授。該工作的第一作者是趙選賀團(tuán)隊的博士生Yoonho Kim，其他作者有博士生German Parada和清華大學(xué)訪問學(xué)生劉圣鐸。MIT趙選賀團(tuán)隊（http://zhao.mit.edu）專注推動軟材料和人機共融科技的發(fā)展，最近的成果包括：

機理研究

• 首次提出3D打印鐵磁軟材料和軟機器 Nature, 558, 274 (2018) 

• 首次實現(xiàn)超高抗疲勞斷裂（anti-fatigue-fracture）水凝膠 Science Advances, 5: eaau8528 (2019)；PNAS,116 (21) 10244-10249 (2019)

• 首次提出水凝膠超韌粘結(jié) （tough adhesion）的機理并實現(xiàn)與各種材料的超韌粘結(jié) Nature Materials, 15, 190 (2016)

• 首次提出堅韌水凝膠高彈體聚合物（tough hydrogel-elastomer hybrid）并實現(xiàn)不干水凝膠 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

• 首次提出3D打印超韌超彈水凝膠的方法并打印各種載細(xì)胞的超韌超彈水凝膠結(jié)構(gòu) Advance Materials, 27, 4035 (2015)

• 首次提出可重復(fù)折疊大面積石墨烯 Nature Materials, 12, 321 (2013)

• 首次發(fā)現(xiàn)并解釋電致褶皺（electro-creasing）和電致空穴（electro-cavitation）現(xiàn)象  Physical Review Letters, 106, 118301 (2011)；Nature Communications, 3, 1157 (2012).

應(yīng)用研究

• 首創(chuàng)鐵磁軟體導(dǎo)絲機器人，并遙控巡航復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò) Science Robotics, 4, eaax7329 (2019)

• 首創(chuàng)可食用水凝膠電子并用來長期監(jiān)測核心體征 Nature Communications, 10， 493 (2019) 

• 首創(chuàng)可拉伸水凝膠電子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)

• 首創(chuàng)液壓水凝膠驅(qū)動器和機器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)

• 首創(chuàng)超高拉伸水凝膠光纖 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)

• 首次實現(xiàn)各種醫(yī)療儀器上的超韌水凝膠涂層  Advanced Healthcare Materials,6,1700520 (2017); Advanced Materials, 1807101 (2018)

• 首創(chuàng)并3D打印可拉伸生命器件 （stretchable living devices）PNAS, 114, 2200 (2017)；Advanced Materials, 1704821 (2017)

• 首次應(yīng)用力學(xué)失穩(wěn)得到人工粘膜 PNAS, 115, 7503 (2018)

綜述

• 定義水凝膠生物電子學(xué)（hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, 48, 1642 (2019)

• 系統(tǒng)闡述水凝膠增強 （high strength）的機理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)

• 系統(tǒng)闡述多種水凝膠增韌（high toughness）的機理 Soft Matter, 10, 672 (2014)

  論文鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/4/33/eaax7329