受摺紙啟發,哈佛與索尼合作打造了一個迷你外科手術機器人

受摺紙啟發,哈佛與索尼合作打造了一個迷你外科手術機器人

ADVERTISEMENT

在過去的半個世紀裡,外科醫生使用工具和插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裡,這樣醫生可以同時操縱多個工具,這比傳統方式更精確,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,而且它們的工具比它們操作的精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,透過創建一個新的摺紙式微型遠端運動操縱器中心(「mini-RCM」),將手術機器人缩小到微觀尺度。

這種機器人大小像一個網球,重量約等於一便士硬幣的重量(約3.56克)。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的實驗室擁有製造微型機器人的獨特技能,在過去很多年裡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操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,用於微任務

為了製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製造技術,在該技術中,材料相互沉積在一起,然後以特定模式進行雷射切割,進而將所需的3D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複雜結構的生產。

該團隊創建了一個平行四邊形作為機器人的主要結構,然後製造了三個線性執行器(mini-AS)來控制機器人的運動:一個平行於四邊形底部用來抬升和降低它,一個垂直於平行四邊形用來旋轉它,一個位於四邊形的頂端,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。

這種迷你LAS本身就是微型界的奇蹟,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。形狀的改變推動著迷你LAS的「運動單元」像火車在軌道上運動一樣,沿著「軌道單元」線性運動,進而推動機器人。由於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光學傳感器整合到迷你LA中,以此來檢測並糾正來自於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

為了模擬遠端手術的條件,該團隊將迷你RCM連接到 Phantom Omni 設備中,以此來操作迷你RCM,回應使用者控制筆狀工具的手的動作。

在第一次測試中,他們採用用手追蹤和迷你RCM追蹤兩種方式,來評估了人類透過顯微鏡追蹤比圓珠筆尖還小的微型方塊的能力。與手動操作相比,微型RCM顯著提高了使用者準確性,誤差降低了68%。精準度的提高修復人體中小型且精緻的結構上尤為重要。

在迷你RCM成功進行追蹤測試之後,研究人員隨後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插入眼睛,為眼球後部的微小靜脈注射治療劑。他們製造了一個與視網膜靜脈大小相同的矽膠管(大約是人頭髮直徑的兩倍),在不造成局部損傷或破壞的情況下,成功地用針頭刺穿了它,並連接到了迷你RCM的末端。

除了具有精密外科手術的優勢外,迷你RCM 的小體積提供了另一個重要優勢:易於設置和安裝,在並發症或者停電的情況下,可以輕鬆的用手將機器人從患者體中取出。

「在很多需要小型且精密的機器的領域,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性和效率,降低對患者的侵入性。」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·里佛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操作器的力量,超過操作過程中使用過的最大力,並且提高其定位精度。在加工過程中,他們還使用脈衝較短的雷射器來提高微型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精神相結合的好處,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。

使用 Facebook 留言

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則