蜘蛛启发的微型机器人可能取代侵入式肠道诊断

致命的肠道癌症发病率正不断上升，早期诊断是战胜它的最佳机会。但目前用于检查消化道的技术具有强侵入性，让许多患者望而却步。部分研究人员希望，尺寸与维生素胶囊相当的柔性磁控机器人，能在短短几年内取代这些诊断方法。

中国澳门大学机电工程教授 Qingsong Xu 带领团队，近期推出了一款受非洲蜘蛛移动方式启发的微型机器人原型。这种蜘蛛并非爬行，而是在纳米比亚沙漠沙丘上翻滚前行。

这款机器人由类橡胶磁性材料制成，已在动物的胃、结肠和小肠中完成测试。研究人员表示，它成功穿越了消化道 “复杂环境”—— 这里布满黏液、急转弯，还有高达 8 厘米的障碍物。

如今的检查流程使用内窥镜：医生将带有摄像头的柔性导管通过口腔或直肠插入患者消化道。由于会给患者带来极大不适，该过程需要镇静处理；且内窥镜操作不当可能造成严重伤害，包括肠穿孔。部分患者可能因恐惧而拖延检查，这可能导致癌症扩散等灾难性后果。胃溃疡、克罗恩病等其他疾病也需通过内窥镜诊断。

“传统内窥镜会带来强烈不适，且难以触及体内复杂的深层区域。”Qingsong Xu 向 IEEE Spectrum 表示，“这款柔性磁控机器人的研发目的，是提供一种微创、可控且灵活性极高的替代方案。”

机器人的移动原理

Qingsong Xu 团队研发的柔性磁控机器人，为内窥镜检查提供了更易被接受的选择。这款机器人尺寸与大型维生素胶囊相当，患者可相对轻松地吞咽，在外部施加的磁场驱动下，穿过胃、小肠和大肠全程。这个微型 “蜘蛛机器人” 能对复杂的消化道环境进行详细检查，且不会给患者带来过多困扰。任务完成后，它会像食物残渣一样自然排出体外。

研究团队在本月发表于 International Journal of Extreme Manufacturing 国际期刊的论文中提到，其他团队曾尝试过爬行、跳跃、游动等多种机器人移动方式，但这些早期设计在穿越消化道这类复杂环境时存在局限性。

配图为十字形微型柔性机器人在胃内褶皱地形中穿行的延时图像。这组图像展示了机器人在胃内的移动过程，最右侧一列还展示了其靶向给药功能。

“我们选择以金轮蜘蛛为设计灵感，因为相比其他移动模式，它具备更出色的越障能力和能量效率。”Qingsong Xu 说，“在患者体内模拟这种移动方式，机器人能在黏液、褶皱甚至垂直倾斜的表面上稳定穿行。”

金轮蜘蛛是一种体型小巧的蛛形纲动物，宽度约 2 厘米，遇到危险时会蜷缩腿部，顺着倾斜的沙丘翻滚逃生。澳门大学团队研发的机器人采用了相同策略，但它并非依靠重力，而是通过腿部内置微型磁铁与外部磁场的相互作用，在消化道内翻滚前进。为实现精准控制，研究人员打造了一款灵巧的机械臂，其末端装有强力旋转磁铁，检查时可放置在患者身旁。

肠道诊断的未来展望

研究团队计划开展进一步的活体动物实验，若一切顺利，将推进至人体临床试验。Qingsong Xu 希望这款 “蜘蛛机器人” 能在五年内帮助医生为患者进行体内检查。

“医学界正日益认识到柔性磁控机器人的潜力 —— 它能最大程度减少患者不适、提高检查精度，从而彻底变革内窥镜检查流程。”Qingsong Xu 说，“医疗领域对这项技术抱有浓厚兴趣。”

在不远的将来，微型机器人技术的进步可能实现胃溃疡或肿瘤的靶向给药。这些微型机器人还可用于一系列微创介入治疗和检查。尽管目前尚无此类机器人进入临床应用，但该领域在过去几年发展迅速，磁控机器人成为众多研究人员探索的热门方向。

例如，美国北卡罗来纳州立大学的团队近期也推出了一款类似机器人，同样采用柔性磁性材料。与翻滚移动不同，这款机器人像毛毛虫一样在消化道内爬行 —— 外部磁场会诱导其 3D 打印折纸结构收缩。发表于 Advanced Functional Materials 期刊的论文，描述了该机器人为模拟胃溃疡进行模拟给药的实验。

北卡罗来纳州立大学材料工程助理教授、论文主要作者 Xiaomeng Fang 向 IEEE Spectrum 表示，这项研究已引发广泛关注。“这些机器人质地柔软，可远程控制，还能改变形状，这让它们在内部疾病治疗中极具应用价值。”