香港中文大学研究了「自」能医疗微型机械人群起如蜂

在自然界，不难看见动物结队躲避天敌或捕食猎物的集群行为，犹如有指挥官在背后发放指令。香港中文大学机械与自动化工程学系张立教授的团队多年来一直致力研发医疗微型机械人，受此启发，他联同计算机科学与工程学系窦琪教授合作研发了一套微型机械人集群自动导航系统技术，结合人工智能，让机械人拥有自主导航能力。它更会如蜜蜂般成群结队工作，并因应体内环境自动改变队形，于人体内游走进行针对性的治疗。

现时微型机械人大多以个体模式行动，优点是体积细小，但容量有限，每次只能输送有限药物，要运载更多的份量，只有增加机械人的数量。但另一问题是人体内尽是蜿蜒曲折的腔道、流动的液体，很难实时控制成千上万个机械人同步执行任务。纵使可以利用外部磁场引领机械人，或以硬件作实时导航及定位配合来控制机械人的行动，但都难免出现机械人失误或不受控的情况。

人工智能系统发号施令

为了增加微型机械人集群的智力稳定地执行任务，研究团队结合过去多年研究微型机械人的经验，利用深度学习技术，建立一套人工智能微型机械人操控系统，增加机械人的自主运算及决策能力。张教授表示：「我们集结了专业人员操作机械人的经验及知识去训练智能系统，赋予微型机械人集群的自主巡航能力，以助减少任务失误的机会。」

微型机械人集群有五个级别的自主程度，由0级至4级; 0代表手动控制、4代表完全自主。图中红色标志为需要人手输入设定的参数项目; 绿色代表参数项目已达到自动化，由人工智能电脑运算控制。

团队设计的自动导航系统/深度学习系统Deep Neural Networks （DNN）可以按体内环境实时运算出机械人的分布、移动轨迹、磁场、机械人群体的中心点及目标位置等参数，让微机械人懂得因应不同环境而适时调整集群行动，按照精准的计划路线完成任务。团队亦按照人体内不同情境设定，如静态或动态环境，将微机械人的自主程度分成五个级别; 级别愈高，要求手动控制的部分愈少。操作人员可按需要及实际情境选择机械人的自主模式。

级别0类近现时大多数微型机械人的操作方式，机械人集群全以人手导航，操作人员必须接受充足的训练，了解机械人的物理状态，以及熟悉系统的操作。硬件上，亦需全程以光学显微镜等成像工具实时监察机械人的行动，同步计划及控制它们的集群形态、路线与目标位置等，避免机械人碰上障碍物。不过，人手操作容易存在误差，控制不良或会令微机械人集群偏离航道或分裂。

级别4的机械人集群可以做到全自主状态，能在复杂多变的动态环境中执行医疗任务。例如任务是将标靶药物输送到病灶，系统会自动及实时搜寻目标位置、规划航道及机械人的集群形态，直至完成任务。如感应到前方有障碍物，也能迅速重新规划航道，过程中无须人手介入，能减省训练专业操作员的成本。

人类胎盘实验于InnoHK（创新香港研发平台），位于香港科学园的医疗机械人创新技术中心进行。实验平台设有C-arm X光萤光镜等成像工具作为机械人的「眼睛」，以侦测障碍物，作实时方向调整及导航。

为了测试微型机械人集群在人工智能导航系统下的运作情况，研究团队与韦尔斯亲王医院合作在人类胎盘样本进行体外实验，结果显示导航系统能有效在血管这类复杂的体内动态环境和微小且曲折的渠道内为机械人集群导航。

张教授期望：「随着自动导航系统技术的发展愈趋成熟，我们希望此人工智能控制系统可让医生在无需接受特别操作培训下，利用微型机械人集群为病人进行无创或微创治疗，特别是在深入体内的曲折狭小腔体内。」

自主组成不同队形

系统会控制微型机械人转换不同集群形态，以便在不规则的环境中游走。

微型机械人由磁性纳米粒子组成，直径只有400纳米，相等于约千分之五条头发直径的尺度。系统可以利用指定磁场引导一大群机械人转换成三种不同的集群形态，包括扩散群（spreading swarm，SS）、带状群（ribbon-like swarm，RS）及涡状群（vortex-like swarm，VS），以执行不同任务，包括于目标位置进行靶向治疗、药物输送等。团队期望这种结合人工智能的导航技术，日后能应用于治疗大脑缺血性中风等血管性系统疾病，并且比现有标靶药更精准地运送药物到癌细胞。