瑞士工程院院士、瑞士苏黎世联邦理工大学教授布拉德利·尼尔森:《用于应对全球主要健康威胁的微型机器人与远程手术》

大家好！今天我想跟大家聊一聊机器人领域中一个极为有趣的分支——微型机器人领域。或许大家平时并未给予它密切的关注，但实际上，它在医学领域有着广泛且重要的应用。

最近，远程手术领域受到了更大的关注与影响，在此，我想跟大家介绍一下我们针对远程手术所采取的方法，以及它未来的发展前景。首先，从医疗层面来看，目前我们主要聚焦于一种疾病的研究，这种疾病是与神经科学家以及脑神经科室共同展开研究的，它就是弥漫性内生型桥脑胶质瘤。在美国，每年约有300人被确诊患有此病，而且患者的诊断结果往往非常不乐观，预后情况极差。

最近，一些新的药物研究，如CAR - T疗法以及基因治疗方法，对某种极为致命的疾病产生了一定的积极影响，起到了一定的帮助作用。然而，就目前情况而言，该疾病的治疗问题依旧十分严峻。

在治疗过程中，治疗窗口期是一个关键因素。当我们为患者给药时，如果剂量过少，药物将无法发挥有效作用；而如果剂量过高，又可能会对病人造成一定的伤害。对于制药公司来说，确定合适的治疗剂量，即明确治疗窗口的范围，是一大挑战。很不幸的是，某些治疗方法根本不存在合适的剂量，也就没有任何可行的治疗窗口。

在去年，全球制药业在药物研发方面投入了大约0.25万亿美元，折合人民币约两万亿元。然而，如此巨大的投入下，仍有高达90%的药物治疗研发以失败告终。其中，有1/3的失败案例是源于中毒剂量问题。药物在对疾病产生一定治疗效果的同时，也会给身体带来负面影响。这是因为，目前大部分药物需要全身给药。药物被注射到静脉中后进入整个身体，人们期望药物能够到达病灶部位发挥作用。微型机械可以实现靶向药物递送，它能够将药物精准地输送到特定部位进行给药。

这一领域的研究已经持续了20多年。在过去的这20多年发展历程中，相关设备从简单逐步迈向了愈发复杂的智能设备阶段。这里所说的“智能”，并非指像ChatGPT或者DeepSeek这类基于人工智能大模型所展现出的智能，而是指智能材料所具备的特性。

在研发微型机器的过程中，我们采用的最主要方法是从自然界中寻找灵感与借鉴。自然界中存在着许多微小的有机物，例如细菌、真菌等。就拿我们熟知的大肠杆菌来说，它的直径通常只有1 - 2微米，大约仅有头发直径的百分之一。直到50年前，人们才弄清楚它的游动方式，而这一发现是由一位哈佛大学的教授做出的。

于是，我们从这些微小的自然生物中汲取了灵感。当然，以我们目前的技术，还无法制造出仅有几纳米大小的微型机器人，但至少我们可以深入研究它们的作用机理，并尝试基于此创造出类似的微型机器人。我们曾将8万多个这样的微型机器人注射到有机生物体内，以观察它们在生物体内的作用机理。此外，自然界中还有一些微型有机物，它们拥有更为复杂的生命周期。以布氏锥虫为例，这是一种在日本和非洲地区较为常见的寄生虫。它具有独特的变形能力，会在整个生命周期中不断改变形态。在某个特定阶段，如果它处于血液中，可能并不会引发明显的病症；然而，当它通过血流进入大脑后，就会改变自身的体态和形状，并在那里开始繁殖，相关疾病也就开始扩散转移了。

我们受此启发，成功制造了一个创新系统。该系统能够精准转移至病灶所在位置，并稳定停留以释放药物，实现靶向治疗。在研发过程中，我们面临着一个关键问题：如何让这些微型设备动起来，即采用何种方式驱动它们。经过团队深入研讨，我们决定采用电磁场作为驱动手段。为此，我们构建了一个包含众多电磁线圈的系统，每个电磁线圈都能通过电流独立产生电磁场。大约15年前，我们发现这种方法类似于控制机器人的通用策略。无论是人形机器人、四足机器人还是双臂机器人，它们都遵循从核心控制单元到四肢的运作逻辑，电流输入电磁场后，通过改变电磁场的形状和强度，能够精确引导设备运动。它让我们首次具备了在纳米级别和微米级别上操控设备的能力。在实际应用中，我们可以选用镍、钴、铁等金属或它们的合金材料。将这些材料置于电磁线圈产生的电磁场中，它们便能在人体内实现有机的移动。

目前，相关研究仍处于开发阶段，我们正聚焦于如何科学设计这些系统。其中，如何推动微型机器人技术从实验室走向诊所，是一个极具潜力应用方向。在医疗场景中，电磁正负极技术已得到广泛应用。事实上，我们可以运用相同的物理原理和数学模型，来精准引导这个系统。基于此，我们已开始朝着这一方向展开实际操作与研究。

第二个导致患者死亡的重要原因是脑卒中，它也是引发长期严重残疾的首要因素。这一问题在全球范围内普遍存在，在中国也是个很大的问题。要想成功治疗脑卒中，关键在于尽快取出脑部血栓。15年前，医生们开始采用先将引导线精准引入到大脑中血栓堵塞的部位，把血栓成功取出。在取出血栓后，需要插入导管。

在借助机器人开展脑卒中救治行动的过程中，医生的手实际上扮演着真正执行者的角色，发挥着关键作用。然而，在操作过程中，医生的手与实际执行操作的导管之间往往存在一定距离。速度在脑卒中救治中至关重要。当脑卒中突发时，“时间就是大脑”这一理念体现得淋漓尽致。我们必须迅速开辟出高效的救治通道，全力守护患者大脑的健康。若患者能在发病后的150分钟内接受及时治疗，其获得功能独立的机会可高达90%。这是确保脑组织不会因缺血缺氧而死亡的最短时间。例如，有一项研究表明，在脑卒中发病后的150分钟这一关键治疗窗口期内接受治疗，患者有90%的可能性能够恢复独立功能，实现生活自理。这不仅是有利于病人，也有利于整个社会减少负担和成本。

然而，目前面临的问题在于，能够提供有效治疗的科室和资源相对有限。毕竟，这类专业治疗设备的运行成本高昂，相关科室往往需要24小时不间断运转。而且，像北京、上海、苏黎世等大型城市，才设有这类诊所。若将目光聚焦于整个治疗流程的话，治疗的目标应该是一旦发现相关症状，必须立即将患者送往医院，尽快恢复大脑的血液流动。但要实现这一目标，需要经过多个步骤。首先，患者需前往当地诊所，在那里必须被准确诊断出患有脑中风。如果幸运的话，患者所在诊所附近恰好有中风治疗中心，可直接前往；但更多时候，患者可能并不在中风治疗中心附近，这就需要将患者转移到中风治疗中心，而这一转移过程无疑会耗费一定的时间。

在美国，总人口超过3亿，其中有三分之一的人口居住在距离中风治疗中心需要驾车前往的地方。对于这些患者而言，从发病地前往中风治疗中心所花费的交通时间，会导致更多的脑细胞死亡。我们可以通过远程手术来有效解决这一问题。能够显著减少患者因长途转运而浪费的时间，可能是一个半小时或两个小时的车程，这具有极其重大的积极影响。

我们所研发的技术，能够利用电磁场精准控制微型机器人以及导管。这一技术非常适合应用于远程手术。在手术过程中，医生可以通过荧光镜实时观察导管的运作情况。与此同时，当下医生们已经习惯通过网络会议的形式进行交流协作，而且卫星通信技术的发展让我们能够与世界各地实现无缝连接，其低延迟和高带宽的特性，为远程医疗诊断服务推广到全球范围提供了技术保障。如此一来，全世界的诊所都能够与具备先进技术和专业医生的中心相连接，接受来自远程的专业医生治疗。

这便是未来手术室的雏形。目前，我们正在积极开展动物研究。在手术室的左端，放置着磁场发生器，其旁边设有推拉按键。此外，还配备能够控制远程手术的系统，在病人端，导管执行最终的治疗操作。借助5G网络低延迟、高带宽的优势，实现高效的远程手术控制。在画面右下角，可以看到在苏黎世的操作端，医生们正通过5G网络连接，精准操控着几千英里之外的手术进程。全球许多地方都有望通过类似的技术实现远程手术。事实上，我们在一年半前就已经开展了相关的临床前研究。

我们运用模型环境望远镜展开细致观察，医生在远程操作端，精准控制着远在9300公里之外的苏黎世手术实验室里的设备。医生移动导管准确抵达血栓所在位置，也就是图像中呈现为绿色的区域。到达指定位置后，医生会插入手术导管，手术导管能够吸血，对病人实施治疗。

最近，我们开展了一项在活体动物上的研究。该研究在苏黎世进行，同时与另一座城市建立了远程连接，并且在德克萨斯与苏黎世之间再次展示了跨越数千公里的远程手术操作能力。此次实验选取的是猪的大脑，其内部存在一处血栓。苏黎世团队通过远程操控系统，精准地将导管插入，并引导其直达血栓所在位置。随后，他们使用了与泵相连的移除血栓导管（需说明的是，这一过程并非全自动化的）。在操作过程中，在移除血栓前，由于血栓堵塞，不同部位的血管存在无血液流动的情况；而当血栓被成功移除后，血液开始重新流动，实验前后的状态形成了极为明显且巨大的区别。

在确定采用何种工具进行治疗时，我们必须谨慎权衡风险因素。只有当确认使用新工具所带来的风险小于传统手术风险时，才可以考虑采用。特别是在心脏急救等场景中，救助时间极为敏感，我们必须确保患者能够尽快接受治疗。这一原则不仅适用于心脏疾病，对于心血管疾病以及中风等急症同样至关重要。因此，能够为这些患者提供快速诊断和及时治疗的服务，是极具价值的。

目前，全球范围内大约有800万病人正面临着严峻的医疗问题，其中多达500万病人无法获得他们急需的手术治疗。根据我们的研究方法与实践反馈，远程医疗或许是一个极具潜力的发展方向。借助远程医疗技术，无论患者身处何地，都能获得来自顶尖医院的远程治疗服务。这意味着，部分患者无需再长途奔波前往医院，就能接受到高质量的医疗救治。事实上，临床中有不少病人即便到了医院，也并非一定需要现场的手术治疗。

在香港，我们与一家多疾病控制中心展开了深度合作。在此过程中，我们获得了来自香港各方的诸多支持与援助。此前在苏黎世开展的实验，经过技术迁移与适配，在香港成功实现了复制，无论是针对脑血管疾病还是心血管疾病的诊疗实验，均取得了理想成效。这是基于苏黎世远程技术支持的治疗实践，两地相距9300公里。当下，有大量患者本可在疾病早期接受治疗并实现痊愈，或是获得极佳的预后效果。然而现实是，仍有众多患者采用传统方式，借助一个非常小巧的内窥镜深入胃部。这种内窥镜能够完成对整个胃部的扫描，还能实现内部翻转以及对胃部进行精准导航。在检查过程中，医生可通过内窥镜获取生物活检样本，以此测试任何可疑肿瘤是否为癌细胞。不仅如此，内窥镜还能翻转至胃部具体皱褶处，查看是否存在可疑病变。此次在香港的成功实践，是世界上首次展示出在数千公里之外进行器官检查的能力。

因此，普惠化的手术革命完全可以将远程手术纳入其中，借助远程技术，我们甚至能够开展更为复杂的手术操作。以瑞士为例，医学生通常需要接受长达七年的专业训练，才有资格毕业。此外，远程手术在特定场景下具有不可替代的优势。当面临时间极为紧迫的情况，或者患者所在位置与外科医生距离过远、无法及时将患者转运至有专业医生的医疗机构，又或者当地缺乏心脑血管疾病方面的专科医生时，远程手术就能发挥关键作用。通过跨越数千公里的远程治疗，患者无需长途奔波，即可获得专业的医疗服务。与此同时，我们也在同步推进微型机器人的研发工作，力求为医疗领域带来更多创新与突破。

目前，我们团队正专注于微型机器人药物底层技术的研发工作，期间持续开展了一系列动物实验。在此，衷心感谢各位的耐心聆听。中国在这一领域所取得的进步令人瞩目，很多设备无论是在质量还是产量方面，都展现出了极高的水准，给我们留下了深刻的印象。为了让更多人了解和参与到这项前沿研究中来，相关网站提供了丰富的资源，每个人都可以自由浏览，无需缴纳任何费用，提交论文等学术交流活动也是完全免费的。因此，我鼓励大家登录网站，深入了解相关内容，看看它能否为您的研究或工作带来启发与帮助。