ファインマン・ラプソディ：体内に入ることができる「外科医」

1959年、ノーベル物理学賞受賞者のリチャード・ファインマンは、カリフォルニア工科大学での「体の底には十分なスペースがある」と題した演説の中で、体内にマイクロロボットを組み込む可能性を初めて構想しました。

ファインマンの仮説によれば、このタイプのマイクロロボットは微小電気機械システム (MEMS) によって駆動され、体内に入り込んで手術を行うことができる。当時、ファインマンはこう言った。「もし外科医を飲み込むことができれば、多くの複雑な手術が楽しくて簡単なものになるだろう。」

おそらくファインマンの影響は大きかったため、10年後、科学研究コミュニティがまだ立ち上がる前、アメリカの映画監督リチャード・フライシャーがファインマンのアイデアを古典的なSF映画『ファンタスティック・ボヤージュ』として映画化した。映画では、5人の医師が何百万倍も小さくなり、脳血管の損傷で命が危険にさらされている患者の体内に注入され、数々の冒険を経て、ついに出血箇所を見つけ出し、患者の命を救いました。

しかし、人間の体内に侵入できるマイクロロボットは単なる空想なのでしょうか?その答えは明らかに疑わしい。

ファインマンが「体内外科医」という概念を提唱して以来、科学者たちはこのアイデアに魅了され、インスピレーションを受け、マイクロロボットの研究に専念し、多くの優れた成果を上げてきました。科学者たちは、将来的には機械が実際に人体に入り込み、標的を絞った治療や薬物送達を実現し、腫瘍などの重大な病気の治療に役立つようになると予想しています。

1. スライムロボット

少し前に、「スライム」と呼ばれる磁気制御のスライムマイクロロボットがニューサイエンティストで人気を博しました。

磁性粘液素材で作られており、誤って飲み込んだ小さな装置を除去するために体内に挿入することができます。 4月1日に公開されるやいなや、テクノロジー界で大きな反響を巻き起こした。ネットユーザーは衝撃を受け、視聴回数はあっという間に10万回、100万回、1000万回を超えた。

このロボットは、私たちが普段目にするロボットとは異なり、外見、動作、能力の面で「怪物」に近い。硬いハードウェアで作られ、人間に似た顔立ちや体つきをしている、私たちが想像する「機械」や「人間」とは大きく異なる。

デモによると、頭も顔も手も足もなく、柔らかい体とさまざまな形をした黒い生地の塊のように見えます。

しかし、この「スライム」ロボットは、見た目は地味ですが、ユニークな機能が数多くあります。柔らかい体を変形させたり、狭い隙間を通り抜けたり、切れた配線を修理したり、誤って飲み込んだ電子部品を人間の消化管で飲み込んで取り除いたりすることができます。

たとえ何枚かに切断されても、再び組み立てられても「自己修復」する能力を持っています。

「スライム」ロボットは、多くの人々の「ロボット」に対する伝統的なイメージを打ち破り、そのクールな未来感と潜在的な強力なパワーで、「体内のマイクロロボット」として世間の注目を集めました。

「スライム」ロボットの研究者の一人である香港中文大学の張立教授は、自己修復はソフトロボティクスの分野でも最もホットな研究分野の1つであり、主にさまざまな環境への高い適応性に反映されていると語った。「スライム」ロボットの強みは、切断された後も自己修復できるだけでなく、液体の中に入れられても完全な形状を維持でき、空気中や固体環境でも妨げられることなく移動できることです。

図：香港中文大学機械・自動化工学部教授張立氏

実際、近年では、超小型モーターで駆動するハエ・カブトムシサイズの飛行ロボットなど、超小型ロボットの研究成果も数多く出ています。それらとは異なり、「スライム」ロボットのユニークな特徴は、非ニュートン液体材料に磁性粉末と磁性粒子を追加して磁場制御を実現し、機敏で自由に変形できることです。

「スライム」ロボットの「自己修復」能力も、素材自体の特性と外部の磁気誘導に基づいています。「本体」が切断された後、互いに近接しているポリマーが相互作用し、再び 1 つに融合します。

「スライム」ロボットは現時点では自律的に動く能力を持っていないことに注意してください。その動きと伸長は、内部のネオジム磁石（「強力な小さな磁気ボール」と理解できます）を制御する外部磁場に依存しています。

「『スライム』ロボット自体は決まった形をしていません。スライムのような状態で、磁場を加えると磁場に反応します。磁石を左から右に動かすと、磁石と一緒に左から右に動きます。磁力の大きさの影響を受けて、簡単に形を変えることができます。例えば、誰かが誤って有害な成分を飲み込んだ場合、荷物をつかむ手に変えることができます」と張立氏はAIテクノロジーレビューに紹介した。

また、張立氏が率いる先端ナノ材料・マイクロロボティクス研究所（ANML）が磁性スライムロボットを製作したのは今回が初めてだ。 ANMLはこれまで、3Dプリントされたバイオニック昆虫ロボットなど、磁場に基づいて遠隔操作されるさまざまなタイプのマイクロナノロボットを製造してきた。「しかし、『スライム』のようなスライムのようなロボットがこれほど大きく変形し、象の鼻のように丸められるのは初めてです」と張立氏は語った。

さらに驚くべきことは、本研究の第一著者であり、ANML研究所のポスドク研究員である孫孟孟氏が、ANMLに加わり、研究開発を開始してから論文を発表するまでに、わずか半年しかかからなかったことです。

キャプション: 孫孟孟博士

「これは主に、孫孟孟がハルビン工業大学（謝慧教授の指導の下）で博士号取得のために勉強していたときにすでにいくつかのアイデアを持っていたからです。ここに来てから、私たちの研究グループが関連材料と磁気制御操作で蓄積した豊富な経験の助けを借りて、プロジェクトは順調に進みました」と張立は紹介した。

人体の内部環境の複雑さを考慮して、張立氏のチームは「スライム」ロボットが消化管に一定の応用空間を持つ可能性があると想像した。主な理由はいくつかある。第一に、消化管の空洞は比較的大きいため、「スライム」ロボットはよりスムーズに動き回ることができる。第二に、人間の消化管にはすでに多くの微生物叢が存在するため、体内でロボットを動作させようとするリスクは比較的低い。第三に、「スライム」ロボットの製造に使用されている材料は細胞毒性試験を受けており、毒性が低い。体内に短時間留まってから排泄されるのであれば、理論的には安全である。

もちろん、「スライム」ロボットを体内治癒アクチュエーターとして使用するというアイデアはまだ概念段階にあり、さらなる検討が必要です。

2. 生体内マイクロロボットの開発

「スライム」ロボットの性能は期待できるが、体内に侵入できるこの種のマイクロロボットの開発の歴史を振り返ると、まだ数十年しか経っていない。

1970 年代、米国の諜報機関は機密研究を進めるために、囚人支援や電子傍受の任務を遂行できるマイクロロボットの設計を試みました。しかし、当時は基礎となるサポート技術が十分に開発されていなかったため、この初期の計算と概念に基づいてマイクロロボットのプロトタイプは開発されませんでした。

マイクロロボットが正式に導入されたのは 21 世紀になってからでした。マイクロロボットは、マイクロ電気機械システムやマイクロアクチュエータなどの学際的な分野の発展を基盤として、重要な技術的進歩を遂げ、徐々に国際的な研究のホットスポットとなっています。

図: バイオニックマイクロロボット

半世紀以上にわたって研究されてきた大型ロボットに比べ、超小型ロボットの開発は20年以上の歴史にとどまっており、「体内に入る超小型ロボット」は数えるほどしかなく、国内外ともに研究はまだ始まったばかりだ。

マイクロロボットにはさまざまなカテゴリがありますが、その中でもマイクロ医療ロボットは業界で最も有望な応用分野であると考えられています。科学技術政策研究所は「将来的にはマイクロロボットやロボットを使った手術が医療手術全体の半分を超える」と予測している。

海外では、日本が「ロボット外科医」制度の導入をリードし、人の血管内を移動してがん細胞を見つけ、殺す超小型ロボットの開発を進めている。米メリーランド州のジョンズ・ホプキンス研究所は、小型シリコン温度計と小型回路を搭載した小型検出装置を開発した。体内に飲み込むと、体温情報を記録装置に送信できる。スウェーデンの科学者たちは、英語の句読点ほどの大きさのロボットを発明した。このロボットは将来、単一の細胞を動かしたり、細菌を捕獲したりすることができ、その後、人体内でさまざまな手術を行うことができるようになる。

東呉大学の孫立寧教授や瀋陽自動化研究所の劉連清教授など、国内の研究者も早くからこの最先端の方向性に注目していた。「体内ロボット」の分野では、香港中文大学の張立教授や深セン先進技術研究所の徐天天研究員などの若手研究者も遅れを取るつもりはなく、材料と制御という2つの大きな方向から新たな機会を模索している。

一般的に、体内ロボットの実現には、3つの大きな要素があります。1つは「マイクロ」な体型の実現、2つ目は体内環境に適合した安全な素材、そして3つ目は体内でのロボットの「自律走行」技術です。

「スライム」ロボットを例にとると、その最大のブレークスルーは素材です。非ニュートン流体特性を持つポリビニルアルコールとホウ砂の材料を使用し、さらに二酸化ケイ素の層を加え、外界との接触により粘度が変化します。環境への適応性が高く、気体、液体、固体の環境で伸縮や移動が可能で、マルチモーダル操作が可能です。

キャプション: 非ニュートン流体をプールに注ぎ、水に浮かべる

しかし、ホウ砂の毒性と安全性はまだ保証されておらず、この分野における現在の研究の焦点の 1 つは、マイクロ医療ロボットの構築により適した材料を見つけることです。素材は、柔軟性があり、肌に優しく、無毒で、体から排出しやすく、操作が簡単である必要があります。

イノベーションと安全性について、張立教授は「科学者と医師の考えが異なることもあります。医師はより保守的であり、安全性を第一に考えることが多いのに対し、科学者はイノベーションを重視します。両者の間には一定の矛盾があります」と述べた。しかし、医療の場面では、安全性が最優先であることに疑いの余地はない。

材料に加えて、体内でのマイクロロボットの経路を制御することは、「外科医」になるために解決する必要があるもう1つの緊急の問題です。近年、生体内マイクロロボットの研究焦点は、オープンループ制御からクローズドループ制御へ、単一動作モードから複数動作モードへ、単一ロボットから複数ロボットへと、3段階の変化を遂げてきました。マイクロロボットクラスターの操作は、生体内医療のシナリオにおいて実用的な応用価値があり、ロボット工学の分野における主要な研究動向でもあります。

単一のロボットと比較して、群集マイクロロボットには 2 つの大きな利点があります。

1つは故障率を下げることです。たとえば、薬物送達の場合、群集ロボットの薬物投与量を増やすことができます。また、血液のような環境では、小型ロボット単体では血液に流されたり、マクロファージに飲み込まれたりしやすいため、ロボット群に切り替えることで治療の成功率を高めることができる。

第二に、クラスターは観察を容易にします。今日のロボットはナノスケールで作ることができますが、体内に配置された場合、既存の医療用画像機器を使用して単一のロボットを鮮明に観察することは非常に困難です。ダイビングと同じように、私たちは自分の横を泳いでいる小さな魚を無視しがちですが、遠くに黒い魚の群れがいると驚かされることがよくあります。

3. 経路制御：ボディ内部の駆動

マイクロロボットの経路制御に関しては、中国科学院深圳先進技術研究所（深圳先進技術研究所）の研究員である徐天天氏は、科学研究の新星だ。

Xu Tiantian 氏は自動化制御のバックグラウンドを持ち、École Centrale Paris と University of Paris VI でそれぞれ修士号と博士号を取得しました。博士課程在学中にマイクロロボットの研究を始めました。 2014年に博士号を取得した後、香港中文大学の張立教授のチームにポスドク研究員として参加しました。 2016年に深セン先進技術研究所集積回路研究所インテリジェントバイオニクスセンターに正式に加わり、現在は深セン先進技術研究所で医療用マイクロロボットの経路制御を研究する唯一の科学者です。

図：深圳先進技術研究所研究員徐天天氏

徐天天教授の視点から見ると、体内のマイクロロボットの経路制御に関する研究は、大きく3つの方向に分けることができます。まず、体内でマイクロロボットをどうやって動かすか？ 2 つ目は、あらかじめ決められた経路に沿って移動させる方法です。第三に、体内の複雑な環境に適応させるにはどうすればよいのでしょうか?

マイクロロボットを自動車に例えると、体内で宙に浮いたロボットの動きは、複雑で混雑した都市の上空を自動車が飛行するのを制御するのと同等であり、非常に困難で、安全上のリスクも極めて高い。

ミクロの世界の多くの物理法則はマクロの世界の物理法則とは異なることに注意することが重要です。例えば、1976年にノーベル物理学者エム・パーセルは「ホタテ貝の定理」を提唱しました。これは、ホタテ貝が殻を素早く開き、その後ゆっくりと閉じる場合、慣性により、ホタテ貝は素早く開いたときに前方に飛び出し、一気に「前進運動」を形成するというものです。しかし、ミクロの世界では、慣性力は粘性に比べてほとんど無視できるため、ホタテ貝の開閉によってホタテ貝を前進させることはできません。

人体の内部環境もミクロの世界です。マイクロロボットを体内で動かすにはどうすればいいのでしょうか?

徐天天氏はチームとともに自然界からインスピレーションを得ようとした。そのインスピレーションの1つは、螺旋状の尾によって前進する大腸菌で、ねじを回すと回転しながら前進するのと同じである。もう1つは、尾を羽ばたかせることで前方に振動する精子の柔軟な振動である。この2つの手法を用いて、螺旋状のロボットと精子型のバイオニックロボットを作成し、人体を模した環境でロボットを動かすことに成功した。

キャプション: マイクロロボットが液体の中で「螺旋状に泳ぐ」

しかし、ロボットを体内で動かすだけでは十分ではありません。前進する道が安全であり、自分の体が暴走しないようにしなければなりません...

そのため、ロボットが体内を「正確に」往復し、危険箇所を回避して安全を確保するために、マイクロロボットの経路制御を研究することが特に重要です。前述の通り、ロボットは「空中を進む」ことで体内を移動するため、ロボットには3D移動能力が求められます。

2019年、徐天天氏のチームは、経路微分法を使用して任意の経路を小さなセグメントに微分し、各ポイントで最も近い小さなセグメントを見つけて移動方向を制御できる新しい経路追従制御アルゴリズムを提案しました。彼らのアルゴリズムは、ミリメートル規模の磁気駆動ソフトロボットの 3D パス制御に成功し、関連する研究は IEEE 国際インテリジェントロボットおよびシステム会議 (IROS) で最優秀アプリケーション論文賞を受賞しました。

経路制御に関しては、徐天天氏のチームも磁気制御を採用しています。磁気制御の主な利点は、ワイヤレスで制御できることです。ロボットが体内に入ると、人間の研究者や医師が体外で操作を行うことができます。同時に、磁気制御は応答時間が短く、電力密度が高く、再現性が高いため、ロボットは複数回にわたって病変部位に到達でき、成功率のランダム性を排除できます。

図1: 徐天天チームの多自由度磁気制御装置

単一ロボットの 3D パス制御を実現した後、Xu Tiantian 氏と彼のチームは、複数のロボットの協調制御の研究に移りました。

徐天天氏はAI Technology Reviewに対し、磁気制御に基づくマイクロロボット群の運用には2つの大きな困難があると説明した。1つは、同じ磁場に入力される信号が同じであるため、複数のマイクロロボットの進行方向と速度が一定になってしまうこと、もう1つは、マイクロロボット間の通信が不足しており、独立して制御できないことだ。

この問題を解決するために、徐天天氏と彼のチームは長年懸命に努力し、今年初めにようやく成果を達成しました。

彼らは、通信を必要とせず、外部の統一信号を使用してロボットを感知する完全に分離された方法を提案し、同じ信号に対して異なる出力を生成する方法の問題を解決しました。彼らは初めて、4台の磁性ソフトマイクロロボットの独立した位置制御と3台の磁性ソフトマイクロロボットの独立した経路追従制御を実現しました。関連研究（「位置制御と経路追従のための複数の磁性フレキシブルミリロボットの独立制御戦略」）は、トップの国際ロボットジャーナルT-ROに掲載されました。

図の説明: ミリメートルスケールのロボットの独立した位置制御: (a) 2 台のロボットの位置制御、(c) 3 台のロボットの位置制御、(e) 4 台のロボットの位置制御、(b)、(d)、(f) はロボットの対応する位置軌道です。

この研究は、複数のマイクロロボットの協調制御における大きな前進です。しかし、徐天天氏はAI Technology Reviewに対し、これまでは4台のマイクロロボットの独立制御しか達成できておらず、将来的にはより大きな目標に向かって進む必要があると語った。

経路制御における人工知能アルゴリズムの導入もトレンドになりつつあることは注目に値します。例えば、徐天天らは2020年から、華南理工大学コンピュータサイエンス学院の陳俊龍学院長が2016年に提唱した「幅学習」手法を採用し、複雑な環境におけるロボットの制御率を自動的に計算して最適化し、より優れた制御を実現し始めた。

4. ビジョンと現実

では、マイクロロボットが体内に入るまでにはどれくらいの時間がかかるのでしょうか?

ファインマンの予想が非常に前衛的であることは疑いの余地がありませんし、「内部外科医」というアイデアも非常に魅力的です。

少し前に、ネイチャー誌も、がん治療にマイクロロボットを使用する可能性を探る記事を掲載しました。例えば、抗がん剤はショットガンアプローチで投与されることが多いが、従来の治療法では血液凝固薬を静脈内に注射するため、血栓のリスクがある。化学療法は腫瘍を破壊しますが、必然的に健康な細胞も攻撃し、一連の副作用を引き起こします。このジレンマを解決するための長年望まれていた代替策は、がん患者にマイクロロボットを注入して標的治療と薬剤送達を行うことです。

張立氏は、将来マイクロロボットが体内に入り込み、がんを治療できるようになることを夢見ており、研究に非常に熱心で意欲的である。しかし同時に、研究者たちは、マイクロロボットが体内に実装されるまでには、まだ長い道のりがあることもはっきりと認識しています。例えば、現在まで国内外の研究者は実際にマイクロロボットを体内に埋め込んだことはありません。雷峰ネットワーク

安全性、倫理性、費用対効果、リスク管理などは、すべて将来人々が解決しなければならない問題です。

科学者たちは体内ロボットの研究と実装を促進するために懸命に取り組んでいます。張立祥氏はAIテクノロジーレビューに対し、香港政府は近年、香港サイエンスパークに医療ロボットイノベーションテクノロジーセンター（下の写真参照）を建設するために4億7000万香港ドルを投資したと語った。このセンターには、高度な医療用画像機器、磁気共鳴画像技術、X線などが備えられており、科学者による医療用ロボットの技術革新と育成を支援している。

写真提供：張立教授

「科学研究の観点から言えば、スライムロボットは画期的なイノベーションではないと思います」と張立氏は言う。「私たちが達成したいのは、マイクロロボットに知能を与え、マイクロロボットのクラスタリングと制御システムに画期的な進歩をもたらし、デバイスをより安全で小型でスマートにし、医療用途への道を見つけることです。究極の目標は人類に利益をもたらすことです。」

おそらく、1950年代にファインマンが提唱した「内臓外科医」というアイデアは近い将来実現されるだろう。将来的には、眼底、網膜、消化管、膀胱、血管など、人体のあらゆる部分に応用できるだろう。

この日が早く来ることを祈りましょう。