電影《神奇旅程》講述了一組微型醫生團隊穿梭於血管中，為患者大腦進行救命修復的故事，這在1966年上映時純粹是科幻小說。到1987年好萊塢將這部電影重拍成喜劇片《驚異大奇航》時，現實世界的工程師們已經開始構建藥丸大小的機器人的原型，這些機器人可以代表醫生在患者的胃腸道中穿梭。患者在2000年開始吞服首批商業化生產的膠囊內窺鏡，從那時起，醫生們就利用這些膠囊獲得了前所未有的視野，例如小腸的內褶皺等部位，這些部位在不開刀的情況下很難到達。
《神奇旅程》中有一個重要的方面仍然是幻想，那就是這種微小的膠囊內窺鏡可以靠自身動力進行操作，遊向腫瘤進行活檢，檢查小腸的炎症，甚至對潰瘍進行藥物治療。然而，近年來，研究人員在將被動式膠囊內窺鏡的基本元件轉化為主動式微型機器人方面取得了巨大進展。現在正在動物身上測試的先進原型機，已經配備了腿、螺旋槳、精密的成像鏡頭和無線制導系統。這些微型機器人可能很快就能進行臨床試驗。目前，他們正在測試微型機器人的極限。
被動式膠囊的轉變
消化道是第一個前沿陣地。以色列公司Given Imaging於1999年推出的首款無線膠囊內窺鏡M2A及其後續型號，確立了使用無線裝置檢查胃腸道的實用性。這種做法被稱為膠囊內窺鏡檢查術，現在已在醫學上常規使用。不幸的是，被動式膠囊內窺鏡缺乏人為控制，導致假陰性結果率很高——攝像頭會錯過問題區域，這對於診斷工具來說是不可接受的。如果窺視身體內部的目的是為了篩查疾病或更仔細地觀察可疑問題，醫生最希望能夠停止攝像頭並操縱它來檢查感興趣的區域。
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將被動式膠囊轉變為更可靠的胃腸道篩查裝置，需要新增移動的附屬物，或稱作動器，以推動藥丸在體內移動或充當操縱組織的工具。操作這些移動部件需要影像和指令的雙向高速無線資料傳輸。實際上，這些藥丸必須變成能夠快速響應技術人員指令的微型機器人。所有這些元件都需要足夠的電力，以便在可能長達12小時的旅程中完成任務。而所有這些都必須裝入一個兩立方厘米的容器中——大約相當於一顆小熊軟糖的大小——患者可以舒適地吞嚥。
在M2A首次亮相的同一年，韓國首爾的智慧微系統中心 (IMC) 啟動了一個為期10年的專案，以開發具有先進功能的新一代膠囊內窺鏡。這種機器人藥丸將具有用於成像的板載感測器和光源。它將具有用於輸送藥物療法和進行活檢的機制。並且它將具有在內窺鏡醫師的無線遙控下進行運動的能力。自2000年以來，更多的公司和研究小組進入了該領域。例如，18個歐洲團隊與IMC組成了一個聯盟，共同開發用於癌症檢測和治療的膠囊機器人。我們在義大利比薩的聖安娜高等學校的小組，在德國蒂賓根novineon的馬克·O·舒爾的醫學監督和指導下，負責該專案的科學和技術協調，該專案名為VECTOR，即用於胃腸道腫瘤識別和治療的多功能內窺鏡膠囊。
這些學術界和產業界團體提出了許多創新想法。特別是，他們針對核心挑戰提出了各種解決方案：如何控制膠囊裝置在體內的運動。他們中的大多數人採用兩種基本方法之一。
第一種方法是利用板載作動器——移動部件，例如槳、腿、螺旋槳或類似附屬物，這些部件整合到裝置的殼體中，並且能夠在藥丸進入消化道後展開，來控制膠囊的運動。由微型電機驅動的作動器最常用於控制膠囊的運動，但在某些設計中，腿也可以推開膠囊周圍的組織，以便更好地觀察某些東西或幫助膠囊透過腸道塌陷的部分。與可吞嚥膠囊的總容積相比，電機和齒輪等作動器機構相當大，這使得整合其他基本部件——成像感測器或活檢工具等治療模組——具有挑戰性。此外，為了擴張組織，膠囊必須施加相當大的力——相當於其自身重量的10到20倍。這項工作需要電機提供高扭矩，這會消耗大量電力（大約半瓦）。這種電力消耗給電池技術帶來了壓力，限制了這些裝置的工作時間。
為了節省電池電量，最佳的權衡可能是僅將作動器用於推進，並尋找其他方法來擴張組織。例如，讓患者在吞服螺旋槳驅動的膠囊之前喝下半升清澈液體，可以在液體排入小腸之前擴張胃部長達20分鐘。在那段時間裡，藥丸可以在無線控制下游動並檢查胃壁。
板載作動器的體積和功率要求使一些研究人員專注於另一種方法：應用體外產生的磁場來遠端控制膠囊的運動。2005年，奧林巴斯和西門子為其被動式膠囊內窺鏡推出了一種磁力引導系統，該系統使藥丸旋轉。西門子的文獻稱，螺旋運動產生輕微的摩擦力，有助於膠囊在狹窄的消化道（如小腸）中穿行。
雖然使用磁鐵引導內窺鏡膠囊穿過腸道很簡單，但僅靠磁鐵實現可靠的控制極其困難。磁場強度會隨著距離而衰減，並且由於腸道幾何形狀不規則，磁場強度的突然變化可能會導致膠囊跳躍或完全切斷對藥丸的磁力控制。在實踐中，這種不穩定性可能會導致操作員與藥丸失去聯絡，並且無法再次找到它。可以透過增加更多磁鐵來補償，這將提供更大的控制和穩定性，但這可能需要電磁線圈的笨重配置。
量身定製的混合方案
鑑於控制膠囊運動的內部和外部方法的侷限性，我們認為我們需要結合這兩種方法來找到一種對患者來說舒適且提供可靠診斷的解決方案。外部磁力運動足以粗略定位腸道內的膠囊；腿狀作動器可用於移動位置或操縱以獲得更好的視野。
我們的研究小組設計了一種帶有四個電機驅動腿的混合膠囊，並在豬身上進行了測試，豬的腸道尺寸與人類的腸道尺寸相同。膠囊的腿在吞嚥裝置時以及在消化道的大部分行程中保持閉合狀態。靠近腹部放置的外部磁場發生器引導膠囊前進。當膠囊到達腸壁塌陷的腸段時，它會透過伸出腿來抬起周圍的組織，腿會使膠囊稍微向前移動穿過開口。
在小腸和大腸的大部分割槽域，混合運動系統將提供醫生進行徹底視覺檢查所需的控制。不同的情況需要不同的解決方案。例如，VECTOR專案針對小腸單獨開發了三種膠囊概念：一種是用於正常篩查的被動式膠囊內窺鏡；第二種是具有主動運動和光譜成像的診斷膠囊，可以檢測組織表面下的異常情況。相同的光譜感測器被整合到第三種計劃中的VECTOR膠囊中，該膠囊還將攜帶活檢工具，可以採集組織樣本並將其儲存在膠囊內，以便在膠囊排出患者體外時取出。
執行活檢和其他更復雜的治療操作（如外科手術）的能力將使膠囊內窺鏡機器人成為更強大的醫療工具。但是，諸如電源供應、空間限制和扭矩有限等關鍵問題使得許多更雄心勃勃的治療任務（需要複雜的運動和多個作動器）無法用單個兩立方厘米的藥丸來實現。
由於這些原因，我們現在正在研究一種先進的概念：在體內自行配置的手術機器人。以下是它的工作原理。患者將飲用擴張胃部的液體，然後吞下多達10到15個膠囊。每個膠囊都將是一個微型化元件，兩端帶有磁鐵。一旦進入胃部，膠囊將在遠端引導下快速組裝成所需的配置。然後，外科醫生將使用組裝好的機器人作為無線工具進行操作，而無需從體外進行任何切口。當手術完成時，膠囊之間的磁性連線可以重新配置或斷開，從而使零件可以無害地透過消化道排出。
我們有一個基於兩釐米膠囊的早期原型，該膠囊具有可定製的內部零件和作動器。一個或多個膠囊可以配備攝像頭，其他膠囊可以配備板載工具，所有膠囊都將透過無線方式控制。
微型機器人元件最終可能會在全身範圍內得到更廣泛的應用，用於各種目的。為膠囊內窺鏡開發的引導系統和攝像頭感測器已經影響了相關的生物醫學技術，例如最新版本的傳統內窺鏡和腹腔鏡手術工具。除了醫療保健之外，這些技術還是微型化和無線控制多功能機器人的廣泛趨勢的一部分。膠囊機器人無疑將對更大世界中的機器人機器產生影響。