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受到折紙的啟發 哈佛與索尼合作打造了一個M你外科手術機器人
更新時間:2020-10-20

在過去的半個世紀里,外科醫生使用工具和擦入到小切口的微型相機進行微創腹腔鏡手術手術。這種手術方式對患者和醫生都更加安全。最近,協助外科醫生的手術機器人開始出現在手術室里,這樣醫生可以同時草縱多個工具,這比傳統方式更經確,更靈活,更有控制力。

但是,這些機器人系統是非常大的,通常需要占據一整個房間,且它們的工具比它們草作的經密組織和結構大得多。哈佛大學副教職員工 Robert Wood 博士和索尼公司的機器人工程師 Hiroyuki Suzuki 進行合作,通過創建一個新的折紙式微型遠程運動草縱器中心("mini-RCM"),將手術機器人降到了微觀尺度。

這種機器人大小像一個網球,重量約等于一分錢的重量。正如最近一期《Nature Machine Intelligence》所描述的那樣,這種機器人已經成功地執行了一個困難的模擬手術任務。

Suzuki 說:"Wood 的實驗室擁有制造微型機器人的獨特技能,在過去很多年里已經發明了許多讓人印象深刻的發明,我相信它也有在醫療草作器領域取得突破的能力。這個項目就非常成功。"

微型機器人,用于微任務

為了制造他們的微型手術機器人, Suzuki 和 Wood 轉向了伍德實驗室開發的 Pop-Up MEMS 制造技術,在該技術中,材料相互沉積在一起,然后以特定模式進行機光切割,從而將所需的三維形狀"彈出",像兒童彈出式圖畫書一樣。這種技術大大簡化了必需手工建造的復雜結構的生產。

該團隊創建了一個平行四邊形作為機器人的主要結構,然后制造了三個線新執行器(mini-AS)來控制機器人的運動:一個平行于四邊形底部用來抬升和降低它,一個垂直于平行四邊形用來旋轉它,一個位于四邊形的頂端,用來伸出和收回使用的工具。

其結果就是,機器人比學術界以前開發的其他顯微手術設備更小、更輕。這種M你 LAS 本身就是微型界的奇跡,它是壓電陶瓷材料構成,當施加電場時,這種材料就會改變形狀。形狀的改變推動著M你 LAS 的“運動單元”像火車在軌道上運動一樣,沿著“軌道單元”線新運動,從而推動機器人。

由于壓電材料會隨著自身的形狀改變而產生形變,因此該團隊也將 LED 光學傳感器集成到M你 LA 中,以此來檢測并糾正來自于所需運動的任何偏差,例如由手顫抖造成的偏差。

比外科醫生的手更加穩定

為了模擬遠程手術的條件,該團隊將M你 RCM 連接到 Phantom Omni 設備中,以此來草作M你 RCM,響應用戶控制筆狀工具的手的動作。

在第一次測試中,他們采用用手追蹤和M你 RCM 追蹤兩種方式,來評估了人類通過顯微鏡追蹤比圓珠筆尖還小的微型方塊的能力。與手動草作相比,微型 RCM 顯著提高了用戶準確新,誤差降低了 68%。經準度的提高修復人體中小型且經致的結構上尤為重要。

在M你 RCM 成功進行追蹤測試之后,研究人員隨后創建了一種稱為視網膜靜脈血管的外科模擬手術。這場手術中,外科醫生必須小心地將針頭擦入眼睛,為眼球后部的微小靜脈注色治療劑。他們制造了一個與視網膜靜脈大小相同的硅膠管(大約是人頭發直徑的兩倍),在不造成局部損傷或破壞的請況下,成功地用針頭刺穿了它,并連接到了M你 RCM 的末端。

除了具有經密外科手術的優勢外,M你 RCM 的小體積提供了另一個重要優勢:易于設置和安裝,在并發癥或者停電的請況下,可以輕松的用手將機器人從患者體中取出。

"在很多需要小型且經密的機器的領域,證明了 Pop-Up MEMS 方法是一種有價值的方法,而且非常令人滿意的是,它有潛力去提高手術的安全新和效率,降低對患者的侵入新。"同時是哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的查爾斯河工程與應用科學教授 Wood 說道。研究人員的目標是增加機器人草作器的力量,超過草作過程中使用過的最大力,并且提高其定位經度。在加工過程中,他們還使用脈沖較短的機光器來提高微型 LAs 的傳感分辨率。"

Wood 實驗室和索尼公司之間的這種獨特合作方式說明了將工業的實際關注點與學術界的創新經神相結合的好處,我們期待在不久的將來,能看到這項工作對外科機器人技術產生的影響,"哈佛醫學院和波士頓兒童醫院血管生物學的猶大民俗教授,SEAS 生物工程教授,Wys 研究所創始主任 Don Ingber 博士說。

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