在胎盤中自主巡航！科學家打造微納機器人軍團

微納機器人集群在非結構化環境中的適應性巡航以到達目標部位執行任務 （圖片來自論文）

在人體內部，充滿蜿蜒的血管和腔道。如果有足夠小的機器人，能通過“九曲十八彎”，越過重重障礙和阻隔，精準地把藥物送到病灶，那該多好？

香港中文大學機械與自動化工程學系教授張立團隊，多年來一直致力于研發能與人體兼容的機器人，還曾創造出當時全球“最微小的醫用微型機器人”，被載入2012年的吉尼斯世界紀錄。

張立教授 受訪者供圖

但更多時候，機器人“足夠小”還不行，還要“足夠多”，才能裝載足量藥物，起到治療的效果。

這一次，張立團隊與香港中文大學計算機科學與工程學系就教授竇琪團隊合作，培訓出一支智能化的微納機器人“軍團”。不僅實現了“足夠多”的機器個體協同，更讓它們擺脫手動控制的限制，在復雜的環境中自主行動。相關論文近日發表在《自然—機器智能 (Nature Machine Intelligence) 》上。

微納機器人，集結！

所謂“微納機器人”，就是能在納米尺度上執行任務的機器人。它們憑借纖巧的體型越來越靈活的身手，能夠深入其他方式難以企及的微小復雜環境，完成一些看起來“不可能完成”的任務。

但也因為單個微納機器人實在太小，能夠勝任的功能也非常有限，人們開始把目光轉向集群機器人研究，讓它們從單打獨斗走向協同合作。憑借廣闊的應用前景和理論、技術上的高度挑戰，集群機器人研究已然成為一個深具影響力的新興領域。

據論文第一作者、香港中文大學博士后楊立冬介紹，目前微納機器人集群的巡航控制還處于手動控制水平，而這在應用中是遠遠不夠的。例如在復雜的人體血管網絡中，集群機器人如果不能實時改變自己的集群分布和運動，一旦手動控制不及時或者發生錯誤，就可能導致嚴重的后果。

“我們這個研究首次通過深度學習的方法實現了微納機器人集群在復雜環境中巡航的完全自主性，不需要人工介入便可巡航到指定部位，為以后微納機器人在人體復雜環境中的應用降低了操作門檻。”楊立冬告訴《中國科學報》。

他們為集群巡航定義了5個級別的自主程度（0到4級：0級代表手動控制巡航，4級代表不需要人介入的完全自主巡航），并且提供了每個等級需要的系統硬件和算法需求。例如0級適用于靜止環境，只需要配備磁場控制系統和成像系統；而4級可用于動態環境且勿需人工介入便能完成任務，例如輸送藥物到指定部位，但系統組成上則需要額外配備反饋圖像處理系統和人工智能控制系統等。

“我們在論文中展示的集群微納機器人，已經初步達到了第4級。”楊立冬說。

越“學習”，越智能

看過《動物世界》的人，往往對魚群、鳥群、蜂群等印象深刻。這些平平無奇的小生物一旦聚集成群，就展現出驚人的默契，能根據實際環境協同行動，如穿越狹窄、彎曲的通道，避開障礙物，甚或對敵人展開攻擊。

這種非凡的集群智能，也讓科學家為之神往。

“對微納機械人來說，我們暫時還無法給它們裝備像動物一樣的大腦。”論文通訊作者張立說，“但我們可以透過人工智能控制系統，賦予它們集群自主巡航能力，讓它們可以全自動、自主地在人體內完成任務，減少失誤的幾率。”

研究者開始“培訓”這些小小的機器人。他們設置了不同形態的工作環境：包括空曠環境、障礙物環境、變直徑和變曲率管道環境、以及動態障礙物環境等，讓它們進行大量的模仿學習，使其深度神經網絡架構獲得足夠的訓練，收斂至最優狀態。

然后，他們將訓練好的網絡接入控制系統，這就形成了集群微納機器人的“大腦”，讓它們可以根據環境的變化，實時做出最優決策。最后，底層的集群控制器讓集群實現自動巡航，準確抵達目標分布區域。

在研究團隊展示的視頻中，這些小家伙們面對迷宮一般的狹窄通道，仿佛有生命一般，探頭探腦，判斷地形，然后根據實際情況改變著隊列的大小和形態，急轉彎、死角，都能絲滑通關，還能向目標區域運用微米級貨物。

到人體中去！

這項研究中，最令人驚喜的部分，在于人體胎盤中的巡航展示。

胎盤中的血管網絡不僅蜿蜒繁復，而且血管直徑也在不斷地變化。為了驗證團隊開發的這套系統能否在人體內部環境中順利運行，研究者向離體胎盤中注射入微納機器人，然后用X光熒光鏡去展示其中的過程。

“巡航的難度增加了。”論文作者之一、香港中文大學博士生姜佳林對《中國科學報》說，“但我們也欣慰地看到，在這種復雜的環境下，我們建立的深度學習方法依然有效。”

實驗顯示，機器人集群不僅可以在曲折的血管里自主巡航，規劃路線，當血管內徑發生改變時，它們還可以通過改變集群中的個體排列，來改變群體的整體形態，以通過狹窄的路段。

“我們通過這項研究，驗證了微納機器人集群與人體組織的兼容性，得到了比較滿意的結果。這意味著，它們有望實現運送藥物、疏通血栓等功能。”姜佳林說，“我們的最終目的，還是讓微納機器人能夠進入人體，走向臨床，在醫療健康領域發揮更大的作用。”

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