就像搓棉球，這種機器人能進血管把血栓“搓”小95%
今年7月一條資訊報道，30歲的李女士（化名）從新西蘭飛抵廣州。11個小時的飛行剛結束，她便在機場突然暈倒，經過搶救仍不幸離世。
醫生推測她死於肺栓塞：很可能是長途久坐讓她的腿部形成了血栓，血栓脫落後堵塞了肺部血管[1]。
新聞圖：肺栓塞可能發生在任何年齡段 ｜廣東廣播電視臺
肺栓塞、腦梗、心梗……這些血栓會引發的疾病，正越來越頻繁地盯上年輕人。它們來勢兇險，而且治療起來十分棘手：溶栓藥物的治療窗口極爲狹窄，依賴於導管的機械取栓也有時間窗，還對血栓部位和醫生技術有極高要求。尤其在大腦中，蜿蜒狹窄的血管常讓血栓卡在“彎道”，即便是頂尖的醫生也有可能束手無策。
如果有一種微小的裝置，能沿着血管直抵病竈，將血栓“消化”後帶走，或許能徹底改變治療的局面。
在今年9月發表於《先進材料》[2]（Advanced Materials）的一項研究中，美國斯坦福大學（Stanford University）趙芮可團隊展示了一款直徑僅數毫米的磁控機器人。它能在磁場的引導下穿行於腦血管模型深處，不僅能取出血栓，還能完成給藥、治療動脈瘤等多種精細操作。
新型微型機器人在腦血管模型（上圖）與豬頸動脈（下圖）中穿行 ｜ 參考文獻[2]
動脈血流速度快，逆流而上曾經是不可能的
目前，讓一個機器人在磁場下運動並不難，難的是如何在湍急的血流中自由穿行。要讓微型機器人在血管裏逆流而上，它的速度必須達到甚至超過血液本身的流速。
而人體血流速度可達數十釐米每秒：頸內動脈常見的流速爲20～30釐米/秒，峯值甚至接近60釐米/秒。過去，從未有螺旋微型機器人能達到這樣的速度，直到這項研究出現。
在一篇2022年發表於《自然·通訊》[3]（Nature Communications）的論文中，趙芮可團隊曾受摺紙藝術啓發，設計了一種嵌入磁鐵、能在磁場中旋轉前行的機器人。
受摺紙藝術啓發設計的無繩磁控機器人 ｜ 參考文獻[3]
這一次，團隊保留了其中最關鍵的結構——螺旋狀的側翼、中空的管道和開槽的外壁，並將原本指甲蓋大小的裝置縮小到了直徑與長度僅幾毫米，恰好適合在直徑3～5毫米的大腦血管中穿行。
機器人進入血管後，外部施加的旋轉磁場會驅動它快速旋轉。特殊的中空設計使得它在前進時會產生負壓，液體從前端吸入，再從後端和側槽噴出，從而推動機器人前行。
實測結果顯示，這種機器人能以每秒23釐米的速度，在動脈血流速度下靈活穿梭。趙芮可指出：“我們能輕鬆讓它達到這一速度，但23釐米/秒並非上限。只要繼續提高磁場的旋轉速度，它的速度甚至能達到60釐米/秒。”
機器人的特殊結構，使其能在血管中快速前進 ｜ 參考文獻[2]
就像搓棉球一樣，機器人“炫”小血栓
旋轉帶來的負壓不僅能推動機器人前進，還成了趙芮可團隊解決血栓問題的關鍵。
起初，團隊只是想試試用機器人產生的負壓將血栓吸走，但實驗結果大大超出了他們的預料：血栓不僅會被機器人牢牢吸住，還會在不到一分鐘的時間內被大幅壓縮，最終體積縮小到只有原來的5%。
原來，這種機器人在旋轉時會同時給血栓施加兩種力——負壓產生的壓力和旋轉帶來的摩擦力。
趙芮可形象地比喻道：“這就像搓棉球。當你一邊壓一邊搓時，鬆散的棉花就會逐漸變成一個緊實的小團。同樣的，血栓也會在這個過程中不斷地緻密化。紅細胞不斷從血栓中擠出，最後剩下的絕大部分都是緻密的纖維蛋白。”
纖維網絡在壓縮與剪切力作用下體積縮小 ｜ 參考文獻[5]
團隊還發現，血栓中紅細胞含量越高，最終被機器人壓縮的程度就越高，最高可達95%的壓縮率；對於完全由纖維蛋白組成的堅硬血栓模型，微型機器人也可壓縮超過80%的體積[4]。
質地堅硬的血栓是臨牀上最難處理的類型，溶栓藥物、導管抽吸和支架“撈取”都難以有效應對，但趙芮可團隊的機器人有潛力輕鬆處理。更重要的是，由於機器人是將血栓整體壓縮後取出，而不是把血栓打碎成小塊，因此理論上降低了傳統機械取栓時血栓碎裂、進一步堵塞其他血管的風險。
機器人將血管模型中的血栓體積大幅壓縮（20倍速） ｜ 參考文獻[2]
擺脫導管，到達之前無法觸及的地方
其實，趙芮可團隊此前早已嘗試過“旋轉取栓”。今年6月，團隊在《自然》[5]（Nature）上發表了一項研究，嘗試了在血栓抽吸導管前端加裝一個直徑約1毫米、由電機驅動的旋轉裝置。
這種方法可以有效去除血栓，但依然需要使用導管，因此只能在適合導管操作的條件下、依賴經驗豐富的醫生來操作。
趙芮可坦言：“掌握這項技術需要多年的訓練，整個斯坦福大學能做腦血管介入手術的醫生只有4位。雖然這樣的手術在國內更常見，但在國內的非一線城市，能夠勝任的醫生仍然屈指可數。”
導管前端加裝旋轉裝置處理血栓示意圖 ｜ 參考文獻[5]
而現在，趙芮可團隊的新方法完全擺脫了導管。這不僅避免了因爲導管深入造成血管破裂、腦出血的風險，也能讓機器人進入更彎、更細的血管，處理傳統手段無法觸及的血栓。
“我們只需在患者腿部或手腕置入一根鞘管，讓機器人經鞘管進入血管，再在磁場引導下抵達血栓所在地，將血栓壓縮並帶回，最後從鞘管中取出。置入鞘管非常簡單，大大減小了醫生的操作難度，因此更多醫生都能用上這項技術”趙芮可解釋道。
精準直抵病竈，“甩”出藥物
這種機器人的應用場景遠不止取血栓。憑藉其中空的結構，科學家可以在其中裝載藥物或其他成分，讓它在磁場導航下精準抵達病竈，再通過旋轉負壓來釋放藥物，爲多種疾病提供新的治療手段。
而且，通過調節機器人本身的磁性和外加磁場的旋轉頻率，這種微型機器人還能展現出不同的運動模式，從而實現不同的給藥方式：它既能在前行過程中緩慢地釋放藥物，也能在原地高速抖動，將藥物迅速“甩”出。
“例如遞送溶栓藥物時，我們會更傾向於用緩慢釋放的方式。因爲纖維蛋白溶解較爲緩慢，藥物釋放太快會達不到效果。”趙芮可解釋道。
機器人在血管中釋放藥物示意圖（3倍速） ｜ 參考文獻[2]
但對於動脈瘤等疾病，快速釋放的效果可能更爲理想。動脈瘤是血管壁上的薄弱膨出部位，如果它在血流衝擊下破裂，就可能導致腦出血（俗稱腦溢血）。
過去，爲了減小血流對動脈瘤的衝擊，醫生需要藉助導管將金屬線圈等放入動脈瘤。可一旦病竈位於導管難以抵達的深處，醫生也無計可施。
而現在，研究團隊只需在機器人的中空結構內裝載治療動脈瘤的物質（凝血劑或能在液體中膨脹的聚合材料），再將其精準導航至動脈瘤處並釋放，就能在模型中完成堵塞，降低動脈瘤破裂的風險。
機器人治療動脈瘤示意圖 ｜ 參考文獻[2]
旋轉吸出腎結石，效率高相當於痛苦少
此外，這項技術也有希望應用到血管之外的場景。
在今年9月發表於《先進智能系統》[6]（Advanced Intelligent Systems）的論文中，趙芮可團隊已經用同樣的原理成功清除了離體豬腎中的腎結石。
趙芮可透露，目前已經有公司在推動“旋轉取石”的臨牀轉化，而通過“旋轉取栓”來治療腦梗、肺栓塞和靜脈曲張血栓形成的臨牀轉化也在進行中。
4秒捕獲45個碎片，機器人快速清除豬腎中的腎結石 ｜ 參考文獻[6]
與此同時，趙芮可團隊正在與斯坦福大學計算機科學系合作，開發基於血管造影圖像的微型機器人自動導航算法。
目前，團隊用於控制機器人的磁力機械臂，還只能依靠預設路徑或由醫生手動操控。但未來，如果算法能將二維造影重建爲三維血管圖譜，並實時自動調控磁場，引導機器人直抵病竈，那麼這項技術將真正解放醫生的雙手，也讓治療過程更精準安全。
或許在不遠的將來，這些微型機器人會成爲臨牀的常用手段，徹底改變我們深入人體器官的方式。
參考文獻
[1]https://world.chinadaily.com.cn/a/202507/08/WS686f307ba3106af2b3c73529.html
[2]https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202508180
[3]https://www.nature.com/articles/s41467-022-30802-w
[4]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431625001038
[5]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09049-0
[6]https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202500609
作者：黃雨佳
編輯：代天醫
封面圖來源： 參考文獻[2]
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