折纸风格的微型机器人可以开启外科手术机器人的新时代

在过去的半个世纪中，微创腹腔镜手术使外科医生使用工具，并在小切口中插入了微型摄像头来进行手术，这使得手术过程对于患者和医生而言都更加安全。

近来，外科手术机器人开始出现在手术室中，以允许外科医生一次以比传统技术更大的精度，灵活性和控制力来操纵多个工具，从而进一步为外科医生提供帮助。

但是，这些机器人系统非常庞大，通常占用整个房间，其工具可能比其操作的脆弱组织和结构大得多。

Wyss副教授Robert Wood博士与Sony Corporation的机器人工程师Hiroyuki Suzuki的合作通过创建一个新的，受折纸启发的微型远程运动操纵器（“ mini－RCM”），将外科机器人技术降到了微尺度。

如最近一期的《自然机器智能》（Nature Machine Intelligence）所述，该机器人只有网球大小，重达一便士，并且成功完成了一项艰巨的模拟外科手术任务。

“伍德实验室在制造微型机器人方面的独特技术能力在过去几年中带来了许多令人印象深刻的发明，我坚信它也有可能在医疗机械手领域取得突破，”铃木说，他是哈佛与索尼合作的一部分，他于2018年开始与伍德合作开发小型RCM。“这个项目取得了巨大的成功。”

微型机器人，用于微任务

为了创建微型手术机器人，Suzuki和Wood求助于Wood实验室开发的Pop－Up MEMS制造技术，该技术将材料彼此叠层沉积在一起，然后按照特定的图案进行激光切割，允许所需的三维形状“弹出”，就像在儿童弹出式图画书中一样。

这项技术大大简化了小而复杂的结构的批量生产，否则这些结构必须手工精心制作。

该团队创建了平行四边形形状以用作机器人的主要结构，然后制造了三个线性致动器（mini－LA）来控制机器人的运动：一个平行于平行四边形底部的升降器，一个垂直于该平行四边形的底部以升降。平行四边形旋转它，并在平行四边形的尖端延伸或缩回使用中的工具。

其结果是，该机器人比以前在学术界开发的其他显微外科手术设备更小，更轻。

mini－LA本身就是微型奇迹，围绕着压电陶瓷材料构建，当施加电场时，压电陶瓷材料会改变形状。

形状的变化将mini－LA的“行进器单元”像火车上的火车一样沿着其“轨道单元”推动，并利用线性运动来移动机器人。

由于压电材料在改变形状时会固有地变形，因此该团队还将基于LED的光学传感器集成到mini－LA中，以检测和校正与所需运动的任何偏差，例如由手震引起的偏差，。

比外科医生的手更坚固

为了模拟遥控手术的情况，研究小组将mini－RCM连接到Phantom Omni设备，该设备响应用户控制笔形工具的手的运动来操纵mini－RCM。

他们的第一个测试评估了人类追踪显微镜的能力，该方块比圆珠笔的笔尖小，可以通过显微镜观察，或者手动追踪，或者使用mini－RCM追踪。

mini－RCM测试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％－考虑到维修人体细小结构所需的精度，这一点特别重要。

微型RCM在示踪测试中获得成功后，研究人员随后创建了一个模拟程序，称为视网膜静脉插管手术，在该模拟手术中，外科医生必须小心地将针头插入眼睛，以将治疗剂注入到后部的细小静脉中。眼球。

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。

mini－RCM的体积小巧，除了可以执行精细的手术操作外，还具有另一个重要优势：易于安装和安装，并且在发生并发症或停电时，可以很容易地将机器人从用手病人的身体。

“弹出式MEMS方法在许多需要小型但复杂的机器的领域中被证明是一种有价值的方法，并且非常高兴地知道它有潜力提高手术的安全性和效率，从而使手术变得更加安全。伍德说，他也是哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的查尔斯河工程与应用科学教授。

研究人员旨在增加机器人执行器的力，以覆盖操作过程中遇到的最大力，并提高其定位精度。

他们还在研究在加工过程中使用具有较短脉冲的激光，以提高mini－LA的感测分辨率。

“伍德实验室和索尼之间的这种独特合作说明了将现实世界中的行业重点与学术创新精神相结合所能带来的好处，我们期待着这项工作对近期的外科手术机器人产生影响。 Wyss研究所的创始董事Don Ingber博士说，他还是哈佛医学院和波士顿儿童医院的犹大Folkman生物学教授，还是SEAS的生物工程学教授。