哈佛大學(xué)團隊創(chuàng)造一種新的微型運動中心遙控機械手——“mini-RCM”

哈佛大學(xué)團隊新近開發(fā)出一種微型外科機器人，它只有網(wǎng)球大小，僅有 1 枚硬幣的重量，但是它成功地完成了一項困難的模擬手術(shù)任務(wù)。

哈佛大學(xué)維斯研究所教授 Robert Wood 和索尼公司的機器人工程師 Hiroyuki Suzuki 合作，他們受折紙啟發(fā)，創(chuàng)造了一種新的微型運動中心遙控機械手，名為“mini-RCM”。這項研究極大地縮小了外科手術(shù)機器人的尺寸。

這項研究發(fā)表在最新一期的《自然 - 機器智能》（Nature Machine Intelligence）上。

腹腔鏡手術(shù)是指外科醫(yī)生將工具和微型攝像機通過小切口進入患者體內(nèi)進行手術(shù)。

近年來，外科手術(shù)機器人開始在手術(shù)室應(yīng)用，進一步幫助外科醫(yī)生，使他們能夠同時操作多個工具，而且比傳統(tǒng)手術(shù)更精確、更靈活、更容易控制。

然而，手術(shù)機器人的缺點也特別明顯，這些機器人控制系統(tǒng)非常大，控制工具可能比它們操作的精細組織和結(jié)構(gòu)要大得多，通常會占據(jù)整個手術(shù)室。而這項新研究則有望解決這一痛點，將外科手術(shù)機器人的尺寸縮小到令人驚嘆的地步。

Suzuki 說：“在過去的幾年里，Wood 博士實驗室獨特的技術(shù)能力已經(jīng)在微型機器人領(lǐng)域取得了許多令人印象深刻的發(fā)明。我相信，這有可能使醫(yī)療機械手領(lǐng)域取得突破。”2018 年，Suzuki 與 Wood 在哈佛 - 索尼的 mini-RCM 項目中開始合作。

Suzuki 和 Wood 使用彈出式微機電系統(tǒng)（pop-up MEMS）制造技術(shù)，在 Wood 的實驗室研制出了這種微型機器人。該技術(shù)將材料彼此疊層粘合在一起，然后按照特定的圖案進行激光切割，最后能 “彈出” 所需的三維形狀，就像兒童彈出式圖畫書一樣。這項技術(shù)極大地簡化了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微型機器人的大規(guī)模生產(chǎn)，省去了費力的手工建造過程。

研究團隊創(chuàng)造的機器人主體結(jié)構(gòu)是一個平行四邊形的形狀，使用三個線性致動器（mini-LAs）來控制機器人的運動：一個平行四邊形的底端的升降機構(gòu)，一個垂直于平行四邊形的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，還有一個是平行四邊形尖端的伸縮工具。這個機器人比之前學(xué)術(shù)界開發(fā)的其他顯微外科設(shè)備都更小更輕。

mini-LA 本身就是出色的微型原件，它由壓電陶瓷材料制成。當(dāng)電場作用時，壓電陶瓷材料會改變形狀，然后變形推動 mini-LA 的 “運行單元” 沿著 “軌道” 移動，就像火車在鐵軌上一樣。微型機器人的移動就是通過這種線性運動來實現(xiàn)的。

由于壓電材料具有固有的變形，該團隊還將基于 led 的光學(xué)傳感器集成到 mini-LA 中，用來檢測和糾正任何偏離預(yù)期運動的偏差，例如由手抖動引起的偏差。

比外科醫(yī)生的手更穩(wěn)定

為了模擬遠程手術(shù)的情況，研究小組將 mini-RCM 連接到了 Phantom Omni 設(shè)備上，該設(shè)備通過響應(yīng)用戶手的動作來操縱 mini-RCM。

他們的第一項測試是在筆尖大小的地方，在顯微鏡下畫小正方形。研究人員分別用手動和使用 mini-RCM 兩種方式操作。結(jié)果顯示，mini-RCM 極大地提高了用戶的準(zhǔn)確性，與手動操作相比，將錯誤減少了 68％。在人體細小結(jié)構(gòu)的手術(shù)中，這種精度是特別重要的。

mini-RCM 在測試中獲得成功后，研究人員創(chuàng)建了一種名為視網(wǎng)膜靜脈插管的外科手術(shù)的模擬版本，在這種手術(shù)中，外科醫(yī)生必須小心地將一根針穿過眼睛，將治療藥物注入眼球后部的細靜脈中。他們制造了一個與視網(wǎng)膜靜脈大小相同的硅膠管（大約是人類頭發(fā)粗細的兩倍），并成功地用連接在 mini-RCM 末端的針刺穿了硅膠管，而不會造成局部損傷或破壞。

除了能有效地進行精細的手術(shù)操作之外，這款小巧的 mini-RCM 還提供了另一個重要的好處：它易于安裝和設(shè)置，而且在出現(xiàn)并發(fā)癥或停電的情況下，醫(yī)生可以手動輕易地將機器人從病人的身體上移開。

“在許多領(lǐng)域，尤其是需要小而復(fù)雜的機器的場景中，彈出式微機電系統(tǒng)制造方法是非常有價值的。它有可能提高手術(shù)的安全性和效率，”Wood 說。

應(yīng)用未來可期

在 mini-RCM 真正準(zhǔn)備好投入使用之前，可能還需要相當(dāng)一段時間?，F(xiàn)在，研究人員的目標(biāo)是增大微型機器人執(zhí)行機構(gòu)的力的范圍，覆蓋在手術(shù)過程中所需的最大力，并提高其定位精度。他們還在研究在加工過程中使用脈沖較短的激光，提高 mini-LAs 的傳感分辨率。

維斯研究所創(chuàng)始董事 Don Ingber 說：“Wood 實驗室和索尼之間獨特的合作說明，將現(xiàn)實世界中的行業(yè)重點與學(xué)術(shù)創(chuàng)新精神相結(jié)合能帶來很大好處，我們期待著這項工作對近期的外科手術(shù)機器人產(chǎn)生影響。”
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