焦點故事
訓練微型機械人在複雜流體中游動
公佈於2021年05月12日

流體力學科學家設計能夠在生物流體中游動的小型機械人,實現標靶藥物傳輸。

流體力學通常讓人聯想起研究飛機或潛艇等大型運輸工具在空中或水中的移動方式,但對白安順博士而言,流體力學還包含了微觀級的研究。白安順博士是2001年裘槎獎學金及2013年裘槎博士後研究獎學金得主。

白博士的目標是要了解細菌或精子細胞等微生物在流體中游動的方式,然後把有關知識加以應用,研發能夠模仿游動微生物的微型機械人,這些人造的微型「游泳健將」為生物醫學應用帶來讓人期待的改變。

微生物「游泳」的方式與人類不同,因為在黏滯力支配的微米世界裏並沒有慣性(inertia),白博士解釋:「這跟在蜜糖中游泳不相上下。」白博士是香港大學的畢業生,現任美國加州聖塔克拉拉大學(Santa Clara University)機械工程學系的助理教授。

微生物已經演化出在黏滯環境中游動的策略,白博士解釋,科學家正嘗試了解這些策略背後的物理原理,以了解不同的生物過程,例如繁殖及細菌感染。

工程師也可以把知識應用至機械人製造,設計出像微生物般能夠有效地游動的微型機械人,而潛在的應用包括使用微型機械人傳輸治療癌症的藥物。白博士的兄弟因癌症去世,所以這項研究對他的意義尤其重大。

白博士說,化療目前是殺死癌細胞最常用的方法之一,但化療的影響範圍廣泛,會同時破壞正常細胞。微型機械人可以在不影響健康細胞的情況下,直接運送癌症藥物到癌細胞,因此白博士相信標靶藥物傳輸有機會減低化療的副作用,並且提高治療的效能。

他又發現到另一種應用於微型手術的潛在性。利用微型機械人,醫生可以進入人體難以接近的區域,協助治療,例如由醫生插入及引導微型機械人清除血塊。

這類應用的其中一個挑戰是要設計在粘稠的生物流體中有足夠推進力的微型機械人。雖然微型游泳機械人的發展於過去數十年間有所進展,但過去的研究假設身體體液與水及空氣等牛頓流體(Newtonian fluids)的特性相同。其實,血液及黏液等生物流體含有懸浮血細胞或聚合物,帶有複雜(非牛頓)流體的特性。

為了設計能夠在真實生物流體中有效推進的微型機械人,科學界必先了解複雜流體的特性怎樣影響推進力。這正是白博士嘗試拆解的挑戰。

白博士與他的研究夥伴,來自加州理工大學的高偉博士進行了一項結合理論和實驗的研究,探討在複雜流體中游動的原理,研究最近更獲得美國國家科學基金會的資助。研究團隊曾經研發出推進速度可媲美天然存在細菌的微型游泳機械人,並展示如何利用這些機械人來傳輸藥物。

兩位科學家的合作取得成功後,研究團隊將融合流體力學、納米工程學和應用數學的專業知識,研發下一代的微型機械人,機械人將具有在真實生物流體游動的能力。

白博士說,他的工作最有趣的地方是可以看到數學和不同物理理論能夠完整地從宏觀和微觀的層面分析我們的世界:「最讓人興奮的時刻是當你看到用紙筆寫出來的數學模型,能確實預測在實驗室裏得出的實驗結果。」

他在聖塔克拉拉大學大部分時間用於研究和教學,他説:「我可以密切地與學生一起工作,看到他們成長,以及幫助他們開展從聖塔克拉拉大學畢業後的事業,這是我最享受的部分。」

白安順博士於2008年在香港大學取得機械工程學士學位,隨後於2013年在美國聖地亞哥加州大學取得博士學位。完成博士課程後,他於2013年至2014年間在美國普林斯頓大學擔任航空及航天工程系的博士後研究人員,繼續進行流體力學的研究,之後加入聖塔克拉拉大學機械工程系。他於2013年獲得西貝爾學者生物工程獎(Siebel Scholar Award in Bioengineering),以及分別於2010年及2013年獲得裘槎獎學金及裘槎博士後研究獎學金。

延伸閱讀:

  1. 白安順博士的個人專頁(裘槎基金會): https://scholars.croucher.org.hk/scholars/pak-on-shun/
  2. 白安順博士的個人專頁(聖塔克拉拉大學): https://www.scu.edu/engineering/faculty/pak-on-shun/