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2022年5月16日

張綺霞 訪談錄

外表如糞便 動態如外星生物 機械人專家張立新發明國際爆紅

早前一段香港的發明影片(可在https://youtu.be/Hrq38f8uqzs觀看)在國際社交媒體熱傳,片中一團像糞便的物質,恍如有腦袋般自行穿過窄道,分裂後又能迅速重組,甚至在模擬的胃部中捲走有害的電池,網民稱它像電影《毒魔》(Venom)的外星生物。

這團物質其實是香港中文大學機械與自動化工程學系研發的「史萊姆機械人」(Slime Robot),是一團磁鐵機械人,靠磁力推動。帶領團隊的張立教授期望,發明能取代高入侵性的手術,減低病人創傷。張立是微型機械人專家,來港10年做過不少發明,雖然很多未能真正應用,仍孜孜不倦創新,他指出,人類發明馬達時,同樣不知道能做什麼。「現在不知道怎用,不代表將來一定沒用。」

張立的專長是做納米機械人,只有一條髮絲千分之一的厚度,肉眼難以看見,卻能在磁力操控下進入人體特定地方,執行一般手術和醫療儀器難以完成的任務,例如釋放藥物、靠其螢光特質做影像定位、清理有害物等。

進入張立的實驗室,只見四周放滿顯微鏡和銅造的磁圈,是用來製作和測試納米機械人的功效。6對不同方位的銅線圈製造磁場,控制機械人全方位移動。儀器小至可放置細胞、組織或小老鼠,大到可以包圍整個人。

可變成任何形狀

「機械人只是某種微型納米結構,不像我們以為有頭有手,有時就只是一個球,因為它體積太小,很難做出立體結構,我們會把它設計得盡量簡單,由材料賦予它功能。」例如他們曾改造藻類細胞,在其小孔放入藥物送進人體,引導它到特定地點送藥。有些機械人是光敏感,由光驅動,有些則是以化學物作燃料,而他主力研究磁場控制的微型機械人。「因為磁場能直接穿過人體,在控制方面有很高自由度,可以移動和旋轉。」

如今他們製作的磁力微型機械人已發展出不同種類,有的可深入腸道,診斷及治療消化道癌細胞;或者深入血管,透過磁力到達心律不正的病灶,鑽穿阻塞血管的血塊,取代俗稱「通波仔」的冠狀動脈介入手術;或是透過內窺鏡釋放微型機械人,從胃經過十二指腸,進入只有1至5毫米的膽管作治療,取代開刀。

在實驗室一角,他們正在做幫中風病人清除血栓的機械人研究。人腦血管蜿蜒曲折,粗的血管可伸進導管吸出血栓,細的血管只能通過藥物溶解,但劑量太高易造成內出血,增加死亡風險。「我們希望為中風病人注射多個納米機械人,到血栓的位置釋放藥物將其溶解,對人體其他地方影響較少。但血管的血液不斷流動,要控制和追蹤這些機械人很難。」

「史萊姆機械人」是他們磁控機械人研究的延伸,成果發表在《先進功能材料》期刊後意外地受到網民的喜愛,他很是驚喜,笑言的確參考史萊姆玩具而設計。「史萊姆柔軟且可以變形,我們就想加入磁性顆粒,讓它變成一隻遙控機械手。」

這機械人能變成任何形狀,隨時拉長縮短、伸長捲起兩邊電線通電、變窄穿過1.5mm的管道,又可以包裹腸胃內的異物捲成一團帶走,還可以分散工作或快速連接融合,就如電影《毒魔》中以半液態出現、迅速分散融合、能穿梭不同地方的異形。他笑指是聽人說起才去看這電影,驚訝兩者的相像,「很多科研和科幻創作都是相互影響的」。

每公升10美元

這機械人可造成香口膠模樣,讓病人吞服,或透過內窺鏡傳送到目標器官,由於可在體內重新組合,體積可大可小。他指出,研究過程最困難的是如何作精準控制,「人體的環境是動態而複雜,消化道口徑不一,胃很大,腸則很小,小腸的長度有3至6米,彎彎曲曲,還有腸黏液和胃酸影響其穩定性,人會呼吸,腸胃會蠕動,環境不是靜止。」雖然內裏的磁性物質和硼砂有毒,但他們以矽化合物包裹,在體內48小時也安全。軟體機械人精準度不算很高,卻能屈能伸,穿梭柔軟的組織時不會造成傷害。他期望機械人能應用於內窺鏡難到達的腸道內部,或輔助醫生在狹小管道內做手術。「1公升成本不到10美元,不貴」。

張立甚少從科幻電影取靈感,但有時也從裏面找到相似之處。「例如我們做的微型機械人集群研究,操控成千上萬的機械人一起工作,就像《變形金剛》其中一幕,機械狗從管道潛入對方基地,發現自己的體積太大,進不去狹小管道,於是牠釋放出無數小球,每顆球都變成機械人跑到不同地方,再組合起來變成更有力量的機械人。」

他研究的納米機械人以集體行動增強力量,就如花粉雖小,但大量散播下,也能提高傳播機會。「我小時候很喜歡觀察螞蟻,看牠們如何分工協作,搬動比牠們大很多倍的食物。一個機械人做不到的,可以用一千個一萬個去做。」

今天內窺鏡已經設計成不足一毫米寬,就如一粒塵,他曾把它分發給學生研究,好幾個學生都不小心把它丟落地上,從此失去蹤影。因為它太小,解像度和功能有限,需要連接電線,未被廣泛應用。「機械人愈小,就愈難做到複雜結構。很難把所有功能集中在一個機械人上。」

他如今正研究設計出另一些帶電或帶藥的模塊組,分散進入人體後,再重新組合成多功能機械人,和《變形金剛》的組合原理一樣。

發明多應用緩慢

雖然主意很多,不少已在實驗室內證實可行,但真正要落實在人體中應用,還有很長的時間。活體內環境多變,控制能力未必如構想的準確,就算苦心鑽研成功,亦因為未能取代現有的技術而被淘汰。而微型機械人如何離開人體不造成毒害,也是醫生最關注的問題。「最理想的情況是快速排出,如果不能,希望它能慢慢降解,或者通過內窺鏡把它收回。」

官方認證過程繁複,臨床研究時間漫長,美國一些微型機械人已經進入做人體實驗的階段,仍未廣泛應用。「這門科目算是比較新的領域,只有二三十年。」

做研究10年以來,美國的醫藥公司也曾上門跟他洽談,但認為無法直接應用而作罷,他笑言,學者多只擅長研究,在將技術轉化上的能力較弱,因此他們正跟不同學系的學者合作,加快進度。「希望5至7年內進行人體實驗」。

而目前已經落實應用的,是人體以外的實驗,例如微型檢測機械人系統「QuickCAS」,可快速檢測病人糞便中的難辨梭菌,原理是將靈芝孢子改造,讓其在磁場驅動下在樣本中快速移動,與難辨梭菌分泌的蛋白毒素產生化學反應,準確度可達百分百,測試的成本和時間亦可大為縮減。他們正研究如何發展出其他項目的測量,如新冠病毒、肺炎鏈球菌、沙門氏菌、幽門螺旋菌等,希望能取代現有化驗技術。

 

張立小檔案

出生地點:中國

職銜:香港中文大學機械與自動化工程學系教授

其他身份:醫療機械人創新技術中心核心研究人員、中大醫學院外科系禮任教授、中國科學院—香港中文大學深圳先進技術研究院機器人與智能系統聯合實驗室主任等

 

撰文:張綺霞

[email protected]

 

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