大腦是非常精密的器官，掌管著人類的思維和行動，此處發(fā)生的任何意外都可能導(dǎo)致人類的行動或思維受損。因此一旦大腦中出現(xiàn)腫瘤，外科醫(yī)生往往會陷入兩難：傳統(tǒng)開顱手術(shù)需要切開層層腦組織，稍有不慎便可能導(dǎo)致失語、偏癱等不可逆損傷；放療雖能穿透顱骨，但卻會無差別破壞腦細胞，無論是腫瘤還是健康腦細胞都會受損；而化療藥物又有可能被腦血屏障攔截而無法抵達腫瘤細胞處。因此如何向腦中精準投放藥物消滅腫瘤細菌就成了科學(xué)家們研究的重點。

仿生設(shè)計啟發(fā)：線蟲如何啟發(fā)我們造機器人？

深圳先進技術(shù)研究院徐天添團隊近期開發(fā)出一種毫米級柔性機器人，目標是將其用于在不損傷腦組織的前提下，深入大腦精準遞送藥物。之所以提出這一設(shè)想，是因為大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，蛛網(wǎng)膜下腔的間隙不足1毫米，腦溝回縱橫交錯，且神經(jīng)組織對外界干擾極為敏感。傳統(tǒng)的剛性機器人易損傷腦組織，過度柔性和小型化則又帶來運動能力下降等問題。

一次偶然的實驗中，研究人員觀察到土壤中的秀麗隱桿線蟲（長度約1毫米）可以通過波浪狀蠕動，穿過比自己更狹小的縫隙。這種運動模式和柔性體態(tài)，使它能在復(fù)雜地形中有效前行。受到啟發(fā)，團隊決定仿照線蟲的結(jié)構(gòu)與運動方式，通過仿生設(shè)計制造機器人。他們以患者自身血液中的纖維蛋白為基礎(chǔ)材料，結(jié)合磁性驅(qū)動技術(shù)，研制出一種直徑約1毫米、彈性模量接近腦組織的柔性機器人。該機器人具備良好的形變能力和生物相容性，可在腦脊液環(huán)境中自如運動，為穿越顱內(nèi)微結(jié)構(gòu)提供了新工具。

血凝膠機器人實物圖

（圖片來源：研究團隊供圖）

用患者血液制造一個機器人

任何外來材料進入大腦，都有可能被免疫系統(tǒng)識別為異物，引發(fā)排異反應(yīng)。免疫細胞會主動聚集、包圍并清除這些異物，過程可能伴隨炎癥，甚至損傷周圍組織。這對植入性醫(yī)療設(shè)備提出了極高的生物相容性要求。傳統(tǒng)機器人常用的金屬或合成材料，很難在大腦這一高度敏感區(qū)域中長期存在而不被免疫系統(tǒng)排斥。

為了避免這一問題，研究團隊采用患者自身血液中的纖維蛋白作為機器人主體材料。纖維蛋白是一種在傷口愈合中發(fā)揮關(guān)鍵作用的天然成分，具有良好的生物相容性。團隊將其與磁性顆粒混合，制成柔性凝膠狀材料，用于構(gòu)建機器人的骨架。這種材料不僅具備柔軟性，其彈性模量（約為100千帕）也接近腦組織的物理特性，有助于減小植入后的機械刺激。

在活體動物實驗中，這種“血凝膠機器人”被植入豬腦后，未引起白細胞數(shù)量異常或炎癥因子升高。各項免疫指標保持穩(wěn)定，說明機器人能在體內(nèi)長期存在而不觸發(fā)明顯的免疫反應(yīng)。這一設(shè)計為實現(xiàn)安全、高效的腦部治療奠定了基礎(chǔ)。

依靠磁場，機器人在大腦中也活動自如

在避免了自體免疫反應(yīng)之后，如何讓這根柔軟的血凝膠機器人在大腦復(fù)雜微環(huán)境中主動移動，便成為下一個核心課題。研究團隊在機器人材料中嵌入納米級磁性顆粒，使其能夠響應(yīng)外部磁場。在程序控制下，機器人可以根據(jù)磁場的變化靈活調(diào)整運動方式，以適應(yīng)不同的解剖結(jié)構(gòu)和行進路徑。

具體來說，在外部可編程磁場的作用下，這根毫米級的纖維機器人可以以三種仿生模式靈活轉(zhuǎn)換：在交變磁場下，它會像線蟲一樣產(chǎn)生縱向的波浪形擺動，形成持續(xù)的推進力；當需要依附組織表面時，纖維表面的微弱粘附力讓其能抓住微小固定點，并通過自身的波浪形變完成蠕動前行；而在面對通道急轉(zhuǎn)或截面突變的拐點時，機器人會切換到滾動模式，帶著磁性顆粒沿著自身軸線翻滾，輕松越過障礙。這些精妙的運動機制經(jīng)過3D打印的大腦溝回仿真模型和離體豬腦實驗雙重驗證——血凝膠纖維機器人能夠連續(xù)通過數(shù)級米字型擋塊，抵達預(yù)設(shè)的目標位置，并且全程未對軟組織造成任何機械損傷。

離體豬腦皮層上運動的“線蟲”機器人

（圖片來源：研究團隊供圖）

機器人雖小，但也自帶精準導(dǎo)航！

為了實現(xiàn)藥物的精準遞送，研究團隊將機器人與X射線成像系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)實時可視化導(dǎo)航。在外部磁場驅(qū)動下，醫(yī)生可通過成像系統(tǒng)監(jiān)控機器人的運動軌跡，并根據(jù)路徑情況動態(tài)調(diào)整磁場參數(shù)，引導(dǎo)其準確抵達腫瘤區(qū)域。

藥物的攜帶與釋放機制也集成在機器人本體中。實驗表明，在磁場強度低于20毫特斯拉、頻率低于6赫茲的條件下，機器人結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，藥物不會提前釋放；一旦抵達目標區(qū)域，通過提高磁場強度和頻率（約50毫特斯拉、24赫茲），機器人會迅速碎解為微米級顆粒，將所載藥物（如阿霉素）局部釋放到腫瘤組織內(nèi)。

這種控制方式實現(xiàn)了空間和時間上的精準釋放，減少了藥物對正常腦組織的影響。研究人員在18頭小型豬的腦膠質(zhì)瘤模型上分組開展驗證，結(jié)果顯示機器人治療組的腫瘤體積只有對照組的四分之一左右，而活體豬的血液細胞計數(shù)和多項生化指標依舊保持在正常水平，未見炎癥反應(yīng)或器官功能損傷。更難能可貴的是，機器人執(zhí)行完任務(wù)后可在體內(nèi)逐步分解，無需再次取出手術(shù)，這一特性將為患者帶來更少的身體負擔與心理壓力。

在高頻交變磁場下“線蟲”機器人碎片化，釋放內(nèi)部藥物

（圖片來源：研究團隊供圖）

線蟲機器人研究意義：從實驗室突破到臨床曙光

當前，研究團隊的“線蟲機器人”已在活體大型動物實驗中展現(xiàn)出巨大潛力，在活體動物實驗中，這種毫米級機器人將腫瘤區(qū)域的藥物濃度提高至傳統(tǒng)靜脈注射的十倍以上，為突破血腦屏障提供了新方法。前文提到的實驗結(jié)果也顯示其具備良好的療效和安全性，為后續(xù)臨床轉(zhuǎn)化提供了初步依據(jù)。

盡管距離臨床應(yīng)用還需攻克長期生物安全性驗證、量產(chǎn)標準化等難關(guān)，但其意義已遠超技術(shù)本身。未來若實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，患者或僅需通過微創(chuàng)注射接受治療，告別開顱手術(shù)的創(chuàng)傷與感染風(fēng)險，治療周期實現(xiàn)大幅度縮短。對于深部腫瘤患者，這種“打針送藥，磁場驅(qū)動，X射線導(dǎo)航”的治療模式，將徹底改寫傳統(tǒng)治療手段，讓精準醫(yī)療真正穿透血腦屏障。

“這不僅是送藥工具的升級，更是治療邏輯的顛覆。”徐天添表示，“當機器人能像‘自體細胞’一樣在腦中自由穿行時，人類對抗腦疾病的戰(zhàn)場，將從‘傷敵一千自損八百’的陣地戰(zhàn)，轉(zhuǎn)向‘精準狙殺’的智能戰(zhàn)。”

活體豬體內(nèi)實驗驗證

（圖片來源：研究團隊供圖）

研究團隊正在進一步優(yōu)化線蟲機器人的材料和結(jié)構(gòu)性能。一方面，他們嘗試引入響應(yīng)性更高的磁性材料，以提升機器人在復(fù)雜腦環(huán)境中的運動精度和控制能力。另一方面，團隊也在探索將光學(xué)成像和超聲成像等多種導(dǎo)航手段結(jié)合，實現(xiàn)更高分辨率的實時定位。

在基礎(chǔ)研究方面，團隊關(guān)注機器人與腦組織界面的流體力學(xué)特性，希望通過微流控設(shè)計減少對微環(huán)境的擾動，并提高藥物釋放的效率。同時，他們也計劃測試機器人在攜帶不同類型藥物或基因載體時的釋放行為，以推動個性化治療的發(fā)展。

未來，該技術(shù)也有望擴展至腦部以外的復(fù)雜部位，例如脊髓損傷修復(fù)或心血管系統(tǒng)的微創(chuàng)干預(yù)。通過不斷改進材料、驅(qū)動和導(dǎo)航策略，研究人員希望將這類柔性機器人發(fā)展為醫(yī)學(xué)微創(chuàng)治療中的通用平臺。

出品：科普中國

作者：徐天添（中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院）

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