1966年，美國上映了一部名為《神奇旅程》的科幻電影，影片中被縮小成微米級別的五名醫生被注射到患者體內進行血管手術。時至今日，電影中的虛構橋段正在走進現實世界，只不過在體內治療疾病的是「微型機械人」。
「微型機械人」其實是一個統稱，其涵蓋了尺寸從1微米（約為人類頭髮絲直徑的1/100）到數毫米的機械人，而機械人的尺寸小於1微米則稱之為「納米機械人」。
因體積小巧、靈活性高，微型機械人被認為是未來無創或微創手術的主要解決方案。尤其是磁控微型機械人，因為磁場可以無害地穿透人體組織，且能精準控制。
目前主要包括兩類磁控微型機械人。第一類具有粘液或液體基的身體，這類機械人的身體太軟，無法輸出足夠的力來進行切割等手術操作，且可能會在人體內留下殘留物。如果想讓它們變硬，通常需要極強的磁場，或者需要加熱到60℃以上，可能導致患者體內細胞死亡。
第二類具有固體彈性體的身體，雖然不會有殘留且可以遠距離控制（小於30厘米），但因為受限於單一的磁化方式，它們最多只能具備兩種手術功能。此外，大多數此類機械人只能實現5個自由度的運動，很難在人體複雜的環境中自由穿行。
近日，新加坡南洋理工大學(NTU)的研究人員開發了一個4.4mm、擁有6個自由度的軟體微型機械人，不僅能在複雜環境中靈活移動，還能通過磁場重新編程，在體內做5種手術動作，包括釋放藥物、切割生物組織、抓取和存儲生物樣本以及遠程加熱。切換這些功能只需不到一秒的時間。相關文章發表在 Advanced Materials期刊。
領導這項研究的是南洋理工大學機械與航空航天工程學院的副教授 Lum Guo Zhan（林國展）。過去十多年裏，他一直深耕於微型機械人領域。
2021年，他的團隊在 Advanced Materials發文，成功解決了長期困擾微型磁控軟機械人的運動學瓶頸。團隊通過優化機械人內部的磁化分佈，首次實現了完整的6個自由度，這意味着該機械人能夠在橫滾、俯仰和偏航三個維度上自由旋轉。
為了破解現有磁控微型機械人的局限性，研究團隊設計了智能磁性複合材料。也就是讓機械人內部包含多種具有不同矯頑力、剛度和響應頻率的磁性物質。有些部位磁性強、容易被重新磁化/退磁；有些部位磁性不會輕易被改變，比較穩定。（註：矯頑力是磁性材料的特性之一，是指在磁性材料已經磁化到磁飽和後，要使其磁化強度減到零所需要的磁場強度。）
這些物質主要包括釹鐵硼（NdFeB）磁性微粒，釹鐵硼被譽為「磁王」，具有極高的磁性和矯頑力（達到93.3–614 mT）。機械人的主體執行部件、重編程模塊以及用於運動的觸手，都摻入了這種微粒。
二是四氧化三鐵（Fe₃O₄）納米顆粒，被專門用於機械人最頂部的遠程加熱組件中，負責發熱做熱療。
部分材料可以在60–65 mT的磁場作用下被可逆地磁化和消磁；而其他具有更高磁矯頑力的區域，則完全不會受到這種磁化和消磁過程的影響。通過這種差異化的材料佈局，機械人可以被隨時隨地且安全地重新編程，切換工作模式。
機械人的材質主要是矽膠類軟材料，包括 PDMS（聚二甲基矽氧烷）與 Ecoflex00-10（一種超軟矽膠）。前者是一種剛度相對較高的醫用級高分子聚合物，用它來製作機械人主體內部的磁化組件以及第六自由度增強模塊。較高的剛度確保了這些執行部件在發力切割或抓取時，具有足夠的支撐力和骨架強度，不會軟塌塌地變形；後者是一種極其柔軟且富有彈性的材料，被專門用來製作機械人負責運動的柔軟觸手。
在設計上，研究團隊採取了對稱性設計，這種設計確保了機械人在執行某一項特定功能時，只有對應的部件會被激活，而其他部件會保持不動，互不干擾。
研究人員用這種智能磁性複合材料構建的機械人主要由四個部分組成：主體、兩根軟觸手、可重新編程模塊，以及頂部的遠程加熱組件。由於尺寸微小，研究人員需要在顯微鏡下組裝。
主體包含三根可變形的軟梁，像小手臂，負責執行給藥、切割、抓取、存儲；兩根軟觸手負責走路、爬行、翻滾；可重編程磁模塊是最重要的部位，負責各功能之間的快速切換；遠程加熱模塊具有局部熱療功能。
當施加特定的交變磁場讓「可重編程模塊」完全消磁時，機械人便進入了運動模式。
在這個模式下，機械人擁有完整的6個自由度。不僅可以在三維空間中沿 X、Y、Z軸平移，還能繞着三個軸自由旋轉。
團隊為其開發了兩種主要步態：滾動，在空曠地帶，它可以快速滾動，甚至可以選擇橫向或縱向滾動來擠過狹窄的縫隙。雙錨點爬行，面對陡坡或形狀複雜的障礙物，它可以像毛毛蟲一樣，利用觸手交替作為錨點進行極其穩定的爬行越障。
一旦機械人通過運動模式到達了體內的指定病灶，通過施加一個瞬間的60 mT均勻磁場，就可以改變可重編程模塊的磁極角度，從而切換到不同的手術功能。
當磁矩角度被設定在90°時，機械人進入給藥模式。在特定磁場的驅動下，機械人主體內的兩根軟梁會發生形變，像開門一樣打開內置的藥物艙，釋放內部裝載的藥物（如化療藥物膠囊），這種靶向遞送比傳統的血液循環給藥效率高出許多倍。
當角度被設定為330°時，機械人進入切割模式。隱藏在機械人體內的微型刀片會被緩慢推出。研究團隊在真實的雞肝組織和生物明膠上進行了測試。結果發現，機械人不僅能穩穩地將鋒利的切刀刺入組織，還能通過旋轉自身來拉伸組織並完成深度切割。極其人性化的是，這把微型手術刀平時是安全隱藏在機械人體內的，完全不必擔心在移動過程中劃傷健康組織。
將磁矩設定為210°方向，機械人進入抓取模式。機械人可以伸出抓手，不僅能幫助調整待切除組織的角度，還能將切下的組織（用於活檢）緊緊抓起。
存儲與抓取模式配合，機械人可以將抓取到的生物樣本拉入自己的主體內部妥善保存。此時如果切回運動模式，抓手會鎖定，確保在體內運輸樣本時不會掉落。
而機械人的熱療功能，可以與上述任何模式同時或獨立進行。在這個功能中，當醫生施加一個極高頻率、中等強度的交變磁場時，由於磁場變化得實在太快，機械人的機械部件根本來不及做出任何物理變形反應。但是，機械人頂部的四氧化三鐵（Fe₃O₄）顆粒卻能在此高頻下產生強烈的電磁感應發熱。
實驗表明，機械人能在35秒內，將其頂部溫度精確升高到40℃，它足以對病變細胞進行熱療，同時又能保證配合使用的化療藥物不會因高溫而失效。更令人驚訝的是，發熱範圍被極其嚴格地限制在機械人周圍半徑5.78毫米的極小區域內，絕不會對周圍正常的生理器官造成熱損傷。
為了驗證該機械人走向臨床的可能，團隊進行了大量模擬真實人體環境的測試。
細胞毒性實驗證明，接觸該機械人的匿名人類真皮成纖維細胞的存活率高達99%以上，與對照組幾乎無異，具有極高的生物相容性。
其次，為了滿足臨床手術規範，機械人還在高壓滅菌鍋中經受了121℃、15分鐘的無菌處理。滅菌後，功能絲毫沒有受到影響。還能在人工合成尿液中穩定地完成爬行、滾動、切割和給藥等動作。它甚至能在較強的水流和氣流中緊緊抓住目標不鬆口。
研究人員還報告稱，該機械人在經過100次磁化和退磁循環後，仍能保持其磁性和機械穩定性。
（來源：NTU）
關於未來的發展，研究人員構想了兩種極其科幻的應用場景。
第一，胃腸道治療，可以將機械人凍在一個冰塊里讓患者吞下，冰塊在胃裏融化後，機械人在胃腸道內完成給藥，完工後隨消化道自然排出或從口腔回收。
第二，腦部無創手術，理論上可以將機械人進一步縮小到2.5mm長。屆時，可以將其注射到患者的脊髓中，讓它順着腦脊液游入大腦深處執行極其複雜的腦部手術，然後再沿着脊柱原路返回並取出。
目前，研究人員正在探索如何將機械人與醫學成像系統、傳感器和人工器官模型集成。他們還計劃與外科醫生合作，了解此類系統如何融入未來的臨床工作流程。
