DeepTech 正式发布《2022 全球医疗微纳机器人技术现状及产业发展前景研究报告

时间:2022-10-23

  在 1966 年的科幻电影《神奇旅程》中,描绘了一个激动人心的场景:一艘被缩小的潜艇可以在人体血管中航行,清除血栓。

  1990 年 7 月举办的第一届国际纳米科学技术会议,标志着纳米科技的正式诞生,微纳机器人的研究也自此启程,至今已发展了 30 年。随着纳米科技和微纳机器人技术的发展,上述场景可能在 10-20 年后成为现实。

  随着微米科技、纳米技术的几十年发展,微纳学科的认知范围从特指一些微纳米器件,慢慢发展到所有涉及到微米纳米尺度的物质、系统。微纳机器人是一个交叉而精密的学科应用,对应的载体是电子、机械、材料、物理、化学、生物、医学等多学科及技术的高度交叉融合体,同时还是一个复杂的工程化机械操作系统结构。

  当前,科研界和产业界在讨论微纳机器人时,其实在讨论的就是医疗微纳机器人 / 微纳机器,这是微纳机器人当前主要的应用场景。

  从根源来讲,微米科技、纳米技术与生物体和医疗就有千丝万缕的关联,细胞与微生物等本身就是微观的物质。微纳作为一个尺度概念,机器人 / 机器系统作为功能载体,微纳医疗机器人为人类在医疗领域的微观尺度丈量、研究提供了新维度。

  此外,微纳机器人更具划时代意义在于——从人组织再到单细胞、单分子,人类对于生物体的研究已经进入了分子尺度的操作时代,医疗微纳机器人为人类跨越至微纳米尺度的医疗操作时代提供了新的视角与工具,为 21 世纪的精准医疗迈入下一阶段奠定了技术基础、打开新思路。

  在此背景下,DeepTech 正式发布《2022 年全球医疗微纳机器人技术现状及产业发展前景研究报告》,DeepTech 研究团队通过专家访谈、桌面调研、文献统计等方式,力争勾勒微纳机器人技术定义、技术原理、技术发展历程、当前产业发展现状、代表研究团队、产业化面临的挑战等全貌。

  从广义上来讲,只要在微纳米尺度能够进行运动和操作的系统都可以叫做微纳机器人,因此它也有一些更准确的称呼,比如微纳机器(Micro/Nanomachine)、微纳马达(Micro/Nanomotor)等。

  这几个称呼其实正体现了研究的不同阶段。能称为 机器人 代表了它需要具备三点能力:感受外界、自主决策,以及做出相应的行为。因此在目前阶段称为微纳机器更为准确。人们之所以称之为 机器人 ,是因为人们习惯以用过去类似的、熟的描述来形容新的事物,同时这也包含人们美好期待。

  src=微纳机器人 这个称呼代表了其未来的 智能化 发展方向:根据体内具体环境,做出决策。在 2015 年的一项研究中,这个趋势已经初露端倪,其研发的机器人可以检测 DNA 或者蛋白质的突变,一旦符合预设的疾病判定标准,机器人就做出释放药物的行为,让人们看到生物计算的相关技术能够融入微纳机器人技术中的潜力。(什么是生物计算?可阅读 )

  尽管微纳机器人在 1966 年就出现了设想,但线 年扫描隧道显微镜在 IBM 苏黎世的实验室的诞生开始的。90 年代纳米技术的出现,大大推动微纳机器人的发展进程。四十年来 , 微纳机器人已发展为一个新的前沿热点研究领域,许多国家纷纷制定微纳机器人相关战略和计划,投入巨资抢占微纳机器人战略高地。

  微纳机器人虽然主要应用也是递送,但它与传统的递送系统的主要区别是,传统递送系统是随着血液随波逐流,匹配系统配对正确就留在了那里,到达目的地凭的是运气,能留下才凭的是本事。而微纳机器人的运动是可控的,也就是说希望到达目的地这件事也是凭本事办到的,它甚至要做到逆流而上。

  微纳尺度的运动控制,要比宏观尺度的难度大得多。首先要了解一个基本原理:一个球,如果直径变为两倍,那么它的表面积会变为 4 倍,而体积会变为 8 倍。所以一个物体越大,其表面积相对于体积来说就越小,反过来,一个物体越小,其表面积相对体积来说就越大。因此对于纳米尺度的颗粒,其巨大的表面积将会使它具有很多特殊性能,这是纳米材料的重要特性之一。

  同样,微纳机器人因为微小的尺寸,通俗来说,表面积将远远大于其体积。巨大的表面积意味着巨大的摩擦力或者说粘滞力,而体积小意味着质量或者说惯性小。因此微纳机器人处在粘滞力占主导、惯性力可忽略不计的低雷诺数环境下。与大型机器人能够靠惯性运动不同,若想驱动微纳米机器人,必须源源不断地为其提供动力。但由于其微小的尺寸,动力源如电池、发动机等很难装载在微纳米机器人上。若自身携带化学燃料会对生物有害,因此外场驱动,尤其是磁场驱动成为主流的选择。

  另外,纳米尺度的物体在运动时还会受到分子布朗运动的干扰,即分子的随机热运动会对微纳机器人不停撞击,使得对其运动行为进行控制的难度大大增加。因此,如何驱动微纳米机器人一直是研究者们研究的重点。

  微纳机器人从技术上,可以分成设计、制造、运动控制和功能化四大环节,而运动控制具体又涉及驱动、定位反馈和集群化控制环节。

  src=图丨拆解微纳机器人原理——六大技术环节(来源:DeepTech)

  这些技术环节紧密相关,解决了一个环节的问题可能又会带来其他环节的新问题。尽管驱动、定位反馈、功能化等每个环节的单独实现,目前都有各自的解决方案,但如何在微纳尺度将多个模块集成到一起,既携带能源,又携带定位装置,还携带药物,成为目前微纳机器人的体外研究中主要尚需解决的问题。

  而涉及到微纳机器人在体内的实际医疗应用时,还面临着更多的问题:微纳机器人会不会被免疫系统清除,出师未捷身先死?微纳机器人如何突破体内重重生物屏障,深入组织内部?注入人体内的微纳机器人最终如何回收,能否通过生物降解 / 肾脏排出体外,会不会对人体造成长期伤害?

  因此微纳机器人的材料发展趋势是逐渐向生物可降解、完全生物兼容性的方向发展,但问题是材料的运动可控性和生物可降解性难以兼顾。

  研究纳米机器人最多使用的是磁性材料,可以通过外部磁场对其进行控制,问题在于,磁性材料的生物兼容性通常较差。而目前研究的具有生物可降解性的材料也有很多,比较有代表性的是水凝胶或者多肽。但这些材料无法用磁场驱动,其进入人体后,能源从哪来、如何进行控制就变成了新的问题。

  若采用光驱动,又要面临红外光在组织内的穿透性最多只有几厘米,无法到达深层组织的问题。

  尽管所处的液体环境很黏,细菌却能够自如游动。目前模仿可自主游动的细菌和精子,研制出了螺旋状的微型游动机器人。此外昆虫、尺蠖、甲虫、鱼类、水母等各种生物都为微纳机器人的设计提供了灵感。微纳机器人的材料,从对人体有害的金属,运动可控性较差的高分子,向新型的软体材料和细胞结构转变,可实现外形的重构,在低雷诺数的介质中表现出理想的推进性能。

  此外,在自然状态下生物还有很多自组织现象,产生集群效应。比如大肠杆菌会形成类似鱼群的集群运动,线虫会聚集形成大团,并在周围形成网络状的团簇。集群化运动的微纳机器人,在运载能力、成像对比度、克服阻力和整体控制方面,都比单个的微纳机器人更有优势,因此集群化的运动控制也是未来微纳机器人发展的重要方向。

  可以期待,在解决了上述一系列问题之后,微纳机器人将在医疗领域发挥重要作用,深入组织内部,进行精准的药物递送、手术以及医学成像和诊断,这与精准医疗的理念不谋而合。

  随着基因测序、靶向药物研发、细胞免疫治疗、基因治疗等新技术不断发展,精准医疗改变了以往简单式的医患互动关系,强调针对病患全面全程的观察诊断,并提出差异性、个性化的医疗方案。

  从应用领域的影响力角度看,微纳机器人在递送和手术领域,其可能带来的临床价值相对于成像和诊断将会更高,因此其在科研领域的关注度和应用领域的期望值也会更高。

  未来微纳机器人真正产品化之后,其用户将是临床医生,并且可能将和现有的微创手术、血管介入机器人等技术形成互补和部分替代的关系:微纳机器人的性能更好,但是成本也会更高,那些普通的医疗技术能解决的问题将没有必要通过微纳机器人来进行。

  微纳机器人的临床应用研发需要在早期阶段就与临床医生产生紧密合作,在需求端寻找临床现有技术的痛点和未满足需求,在应用端评估其安全性和有效性。

  纵观纳米技术的发展,单纯的合成一种纳米材料并研究他们的特殊性质的时代在慢慢过去。未来,人们会更关注如何把纳米材料整合成一个复杂的器件甚至系统,能够完成更复杂的任务,(医疗)微纳机器人即为其中一个重要方向。

  综上所述,医疗微纳机器人目前仍处于中早期科研探索阶段,距离临床应用仍需解决大量的真实场景和工程化问题,比如在体内实现精准的运动控制、材料的可降解性和安全性、如何穿过体内的生物屏障等等,这些交叉技术难题带来的困难复杂而棘手。

  而科学研究的思路是可以将复杂问题拆分为很多简单的问题,一步步攻克,积少成多,从量变到质变,整体而言,我们对微纳机器人的发展前景持乐观态度。

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