受折纸启发,哈佛大学团队打造微型外科机器人:可进行精密手术

哈佛大学团队新近开发出一种微型外科机器人,它只有网球大小,仅有 1 枚硬币的重量,但是它成功地完成了一项困难的模拟手术任务。

哈佛大学维斯研究所教授 Robert Wood 和索尼公司的机器人工程师 Hiroyuki Suzuki 合作,他们受折纸启发,创造了一种新的微型运动中心遥控机械手,名为“mini-RCM”。这项研究极大地缩小了外科手术机器人的尺寸。

这项研究发表在最新一期的《自然 - 机器智能》(Nature Machine Intelligence)上。

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腹腔镜手术是指外科医生将工具和微型摄像机通过小切口进入患者体内进行手术。

近年来,外科手术机器人开始在手术室应用,进一步帮助外科医生,使他们能够同时操作多个工具,而且比传统手术更精确、更灵活、更容易控制。

然而,手术机器人的缺点也特别明显,这些机器人控制系统非常大,控制工具可能比它们操作的精细组织和结构要大得多,通常会占据整个手术室。而这项新研究则有望解决这一痛点,将外科手术机器人的尺寸缩小到令人惊叹的地步。

Suzuki 说:“在过去的几年里,Wood 博士实验室独特的技术能力已经在微型机器人领域取得了许多令人印象深刻的发明。我相信,这有可能使医疗机械手领域取得突破。”2018 年,Suzuki 与 Wood 在哈佛 - 索尼的 mini-RCM 项目中开始合作。

受折纸启发

Suzuki 和 Wood 使用弹出式微机电系统(pop-up MEMS)制造技术,在 Wood 的实验室研制出了这种微型机器人。该技术将材料彼此叠层粘合在一起,然后按照特定的图案进行激光切割,最后能 “弹出” 所需的三维形状,就像儿童弹出式图画书一样。这项技术极大地简化了复杂结构的微型机器人的大规模生产,省去了费力的手工建造过程。

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研究团队创造的机器人主体结构是一个平行四边形的形状,使用三个线性致动器(mini-LAs)来控制机器人的运动:一个平行四边形的底端的升降机构,一个垂直于平行四边形的旋转机构,还有一个是平行四边形尖端的伸缩工具。这个机器人比之前学术界开发的其他显微外科设备都更小更轻。

mini-LA 本身就是出色的微型原件,它由压电陶瓷材料制成。当电场作用时,压电陶瓷材料会改变形状,然后变形推动 mini-LA 的 “运行单元” 沿着 “轨道” 移动,就像火车在铁轨上一样。微型机器人的移动就是通过这种线性运动来实现的。

由于压电材料具有固有的变形,该团队还将基于 led 的光学传感器集成到 mini-LA 中,用来检测和纠正任何偏离预期运动的偏差,例如由手抖动引起的偏差。

比外科医生的手更稳定

为了模拟远程手术的情况,研究小组将 mini-RCM 连接到了 Phantom Omni 设备上,该设备通过响应用户手的动作来操纵 mini-RCM。

他们的第一项测试是在笔尖大小的地方,在显微镜下画小正方形。研究人员分别用手动和使用 mini-RCM 两种方式操作。结果显示,mini-RCM 极大地提高了用户的准确性,与手动操作相比,将错误减少了 68%。在人体细小结构的手术中,这种精度是特别重要的。

mini-RCM 在测试中获得成功后,研究人员创建了一种名为视网膜静脉插管的外科手术的模拟版本,在这种手术中,外科医生必须小心地将一根针穿过眼睛,将治疗药物注入眼球后部的细静脉中。他们制造了一个与视网膜静脉大小相同的硅胶管(大约是人类头发粗细的两倍),并成功地用连接在 mini-RCM 末端的针刺穿了硅胶管,而不会造成局部损伤或破坏。

除了能有效地进行精细的手术操作之外,这款小巧的 mini-RCM 还提供了另一个重要的好处:它易于安装和设置,而且在出现并发症或停电的情况下,医生可以手动轻易地将机器人从病人的身体上移开。

“在许多领域,尤其是需要小而复杂的机器的场景中,弹出式微机电系统制造方法是非常有价值的。它有可能提高手术的安全性和效率,”Wood 说。

应用未来可期

在 mini-RCM 真正准备好投入使用之前,可能还需要相当一段时间。现在,研究人员的目标是增大微型机器人执行机构的力的范围,覆盖在手术过程中所需的最大力,并提高其定位精度。他们还在研究在加工过程中使用脉冲较短的激光,提高 mini-LAs 的传感分辨率。

维斯研究所创始董事 Don Ingber 说:“Wood 实验室和索尼之间独特的合作说明,将现实世界中的行业重点与学术创新精神相结合能带来很大好处,我们期待着这项工作对近期的外科手术机器人产生影响。”

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