新型连续体机器人实现了多尺度运动 打开了复杂显微外科手术的世界

美国范德比尔特大学工程师设计的一种新型连续体机器人实现了多尺度运动，可能会打开一个以前不可能完成的复杂显微外科手术的巨大世界。

通过在结构内部添加可以滑入和滑出管状骨架的金属丝（红色），该多骨骼机器人可以增强具有微米级运动能力的微观运动工作空间。就尺度而言，一英寸包含25400微米一个人的红血球大约有8微米宽，与一些细菌的大小相同，并且明显小于人类头发的平均宽度。可以通过直接驱动，推动和拉动它们，连续运动中机器人的配置会发生变化。

“我们的设计通过使用廉价的执行器来实现1微米或更小的运动分辨率。这种重新配置（以最低的附加成本）可以加速新型外科手术机器人的开发，该机器人既可以进行手术干预的宏观运动，又能进行细胞水平成像或干预的微观运动，并且可以进行微尺度运动。”机械级教授兼高级机器人与机械应用实验室主任Nabil Simaan说。他说：“这极大地扩展了微创手术机器人的功能。”

微型化和活动范围允许在复杂的动脉瘤，微小的静脉和动脉，神经以及眼睛，内耳和声带的脆弱结构的手术过程中进行精确控制。潜在的应用包括活检，根除肿瘤和在细胞水平上靶向药物递送。

Simaan和他的团队通过改变机器人的平衡姿势，使他先前的连续体机器人的灵活体系结构适应了宏观和微观的要求，Simaan称其为具有平衡调制或CREM的连续体机器人。

以前的连续体机器人的灵活体系结构实现了像蠕虫一样的宏操作。机器人被分割成圆盘或圆环，就像worm的身体一样。每个圆盘通过微小的骨架或致动管连接在一起。通过在致动管内添加细小的弹性线并上下移动线，板的静态平衡会发生变化，从而在微米级产生运动。

范德比尔特外科工程学院的附属机构Simaan表示：“这种新型的机器人将在穿越宏大的弯曲路径到达手术部位的同时提供微精度，潜在的好处包括精确的组织重建和肿瘤的彻底手术根除。”

该机器人使用管状二级骨架来实现大规模运动。通过推和拉它们，连续机器人的配置发生变化，增加的线路可以滑进和滑出管状骨干，使研究小组能够调整平衡形状。

此外，目前他们正在进行广泛的测试，以便将光学相干断层成像技术（optical coherence tomography）纳入其中，这是一种有效的“光学超声”，可以从组织内部进行成像反射。

Simaan和他的同事，机械工程研究生Giuseppe Del Giudice，眼科学和视觉科学的研究助理教授，沉金慧和医师Karen M.Joos，Joseph N.和Barbara H.Ellis家庭眼科学教授已经完成了初步整合定制的OCT探针。

Joos的特别研究兴趣是将微型OCT探针与机器人手术工具一起使用，以改善眼内手术的可视化。Del Giudice的专长是微连续医疗机器人的设计和控制，尤其是眼科手术的微操纵。

Simaan说，通过提供显着提高的灵活性，可控制性和精确性给外科医生，甚至甚至开创了以前不可能的程序，扩展微型连续运动机器人在微尺度运动和靶向性方面扩展标准连续体机器人的功能可能会对显微外科手术产生深远影响。