电影《神奇旅程》讲述了一组微型医生团队穿梭于血管中，为患者大脑进行救命修复的故事，这在1966年上映时纯粹是科幻小说。到1987年好莱坞将这部电影重拍成喜剧片《惊异大奇航》时，现实世界的工程师们已经开始构建药丸大小的机器人的原型，这些机器人可以代表医生在患者的胃肠道中穿梭。患者在2000年开始吞服首批商业化生产的胶囊内窥镜，从那时起，医生们就利用这些胶囊获得了前所未有的视野，例如小肠的内褶皱等部位，这些部位在不开刀的情况下很难到达。
《神奇旅程》中有一个重要的方面仍然是幻想，那就是这种微小的胶囊内窥镜可以靠自身动力进行操作，游向肿瘤进行活检，检查小肠的炎症，甚至对溃疡进行药物治疗。然而，近年来，研究人员在将被动式胶囊内窥镜的基本元件转化为主动式微型机器人方面取得了巨大进展。现在正在动物身上测试的先进原型机，已经配备了腿、螺旋桨、精密的成像镜头和无线制导系统。这些微型机器人可能很快就能进行临床试验。目前，他们正在测试微型机器人的极限。
被动式胶囊的转变
消化道是第一个前沿阵地。以色列公司Given Imaging于1999年推出的首款无线胶囊内窥镜M2A及其后续型号，确立了使用无线设备检查胃肠道的实用性。这种做法被称为胶囊内窥镜检查术，现在已在医学上常规使用。不幸的是，被动式胶囊内窥镜缺乏人为控制，导致假阴性结果率很高——摄像头会错过问题区域，这对于诊断工具来说是不可接受的。如果窥视身体内部的目的是为了筛查疾病或更仔细地观察可疑问题，医生最希望能够停止摄像头并操纵它来检查感兴趣的区域。
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将被动式胶囊转变为更可靠的胃肠道筛查设备，需要添加移动的附属物，或称作动器，以推动药丸在体内移动或充当操纵组织的工具。操作这些移动部件需要图像和指令的双向高速无线数据传输。实际上，这些药丸必须变成能够快速响应技术人员指令的微型机器人。所有这些组件都需要足够的电力，以便在可能长达12小时的旅程中完成任务。而所有这些都必须装入一个两立方厘米的容器中——大约相当于一颗小熊软糖的大小——患者可以舒适地吞咽。
在M2A首次亮相的同一年，韩国首尔的智能微系统中心 (IMC) 启动了一个为期10年的项目，以开发具有先进功能的新一代胶囊内窥镜。这种机器人药丸将具有用于成像的板载传感器和光源。它将具有用于输送药物疗法和进行活检的机制。并且它将具有在内窥镜医师的无线遥控下进行运动的能力。自2000年以来，更多的公司和研究小组进入了该领域。例如，18个欧洲团队与IMC组成了一个联盟，共同开发用于癌症检测和治疗的胶囊机器人。我们在意大利比萨的圣安娜高等学校的小组，在德国蒂宾根novineon的马克·O·舒尔的医学监督和指导下，负责该项目的科学和技术协调，该项目名为VECTOR，即用于胃肠道肿瘤识别和治疗的多功能内窥镜胶囊。
这些学术界和产业界团体提出了许多创新想法。特别是，他们针对核心挑战提出了各种解决方案：如何控制胶囊设备在体内的运动。他们中的大多数人采用两种基本方法之一。
第一种方法是利用板载作动器——移动部件，例如桨、腿、螺旋桨或类似附属物，这些部件集成到设备的壳体中，并且能够在药丸进入消化道后展开，来控制胶囊的运动。由微型电机驱动的作动器最常用于控制胶囊的运动，但在某些设计中，腿也可以推开胶囊周围的组织，以便更好地观察某些东西或帮助胶囊通过肠道塌陷的部分。与可吞咽胶囊的总容积相比，电机和齿轮等作动器机构相当大，这使得集成其他基本部件——成像传感器或活检工具等治疗模块——具有挑战性。此外，为了扩张组织，胶囊必须施加相当大的力——相当于其自身重量的10到20倍。这项工作需要电机提供高扭矩，这会消耗大量电力（大约半瓦）。这种电力消耗给电池技术带来了压力，限制了这些设备的工作时间。
为了节省电池电量，最佳的权衡可能是仅将作动器用于推进，并寻找其他方法来扩张组织。例如，让患者在吞服螺旋桨驱动的胶囊之前喝下半升清澈液体，可以在液体排入小肠之前扩张胃部长达20分钟。在那段时间里，药丸可以在无线控制下游动并检查胃壁。
板载作动器的体积和功率要求使一些研究人员专注于另一种方法：应用体外产生的磁场来远程控制胶囊的运动。2005年，奥林巴斯和西门子为其被动式胶囊内窥镜推出了一种磁力引导系统，该系统使药丸旋转。西门子的文献称，螺旋运动产生轻微的摩擦力，有助于胶囊在狭窄的消化道（如小肠）中穿行。
虽然使用磁铁引导内窥镜胶囊穿过肠道很简单，但仅靠磁铁实现可靠的控制极其困难。磁场强度会随着距离而衰减，并且由于肠道几何形状不规则，磁场强度的突然变化可能会导致胶囊跳跃或完全切断对药丸的磁力控制。在实践中，这种不稳定性可能会导致操作员与药丸失去联系，并且无法再次找到它。可以通过增加更多磁铁来补偿，这将提供更大的控制和稳定性，但这可能需要电磁线圈的笨重配置。
量身定制的混合方案
鉴于控制胶囊运动的内部和外部方法的局限性，我们认为我们需要结合这两种方法来找到一种对患者来说舒适且提供可靠诊断的解决方案。外部磁力运动足以粗略定位肠道内的胶囊；腿状作动器可用于移动位置或操纵以获得更好的视野。
我们的研究小组设计了一种带有四个电机驱动腿的混合胶囊，并在猪身上进行了测试，猪的肠道尺寸与人类的肠道尺寸相同。胶囊的腿在吞咽设备时以及在消化道的大部分行程中保持闭合状态。靠近腹部放置的外部磁场发生器引导胶囊前进。当胶囊到达肠壁塌陷的肠段时，它会通过伸出腿来抬起周围的组织，腿会使胶囊稍微向前移动穿过开口。
在小肠和大肠的大部分区域，混合运动系统将提供医生进行彻底视觉检查所需的控制。不同的情况需要不同的解决方案。例如，VECTOR项目针对小肠单独开发了三种胶囊概念：一种是用于正常筛查的被动式胶囊内窥镜；第二种是具有主动运动和光谱成像的诊断胶囊，可以检测组织表面下的异常情况。相同的光谱传感器被整合到第三种计划中的VECTOR胶囊中，该胶囊还将携带活检工具，可以采集组织样本并将其存储在胶囊内，以便在胶囊排出患者体外时取出。
执行活检和其他更复杂的治疗操作（如外科手术）的能力将使胶囊内窥镜机器人成为更强大的医疗工具。但是，诸如电源供应、空间限制和扭矩有限等关键问题使得许多更雄心勃勃的治疗任务（需要复杂的运动和多个作动器）无法用单个两立方厘米的药丸来实现。
由于这些原因，我们现在正在研究一种先进的概念：在体内自行配置的手术机器人。以下是它的工作原理。患者将饮用扩张胃部的液体，然后吞下多达10到15个胶囊。每个胶囊都将是一个微型化组件，两端带有磁铁。一旦进入胃部，胶囊将在远程引导下快速组装成所需的配置。然后，外科医生将使用组装好的机器人作为无线工具进行操作，而无需从体外进行任何切口。当手术完成时，胶囊之间的磁性连接可以重新配置或断开，从而使零件可以无害地通过消化道排出。
我们有一个基于两厘米胶囊的早期原型，该胶囊具有可定制的内部零件和作动器。一个或多个胶囊可以配备摄像头，其他胶囊可以配备板载工具，所有胶囊都将通过无线方式控制。
微型机器人组件最终可能会在全身范围内得到更广泛的应用，用于各种目的。为胶囊内窥镜开发的引导系统和摄像头传感器已经影响了相关的生物医学技术，例如最新版本的传统内窥镜和腹腔镜手术工具。除了医疗保健之外，这些技术还是微型化和无线控制多功能机器人的广泛趋势的一部分。胶囊机器人无疑将对更大世界中的机器人机器产生影响。