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受折纸启发,哈佛与索尼打造了一个迷你外科手术机器人

发布时间:2020-10-17 13:37:22  来源:大数据文摘微信公众号 陈晨  采编:爱萌妮儿  背景: 无障碍通道

  在过去的半个世纪里,外科医生使用工具和插入到小切口的微型相机进行微创腹腔镜手术手术。这种手术方式对患者和医生都更加安全。

  最近,协助外科医生的手术机器人开始出现在手术室里,这样医生可以同时操纵多个工具,这比传统方式更精确,更灵活,更有控制力。但是,这些机器人系统是非常大的,通常需要占据一整个房间,且它们的工具比它们操作的精密组织和结构大得多。

  哈佛大学副教职员工 Robert Wood 博士和索尼公司的机器人工程师 Hiroyuki Suzuki 进行合作,通过创建一个新的折纸式微型远程运动操纵器中心("mini-RCM"),将手术机器人降到了微观尺度。

  这种机器人大小像一个网球,重量约等于一分钱的重量。正如最近一期《Nature Machine Intelligence》所描述的那样,这种机器人已经成功地执行了一个困难的模拟手术任务。

  Suzuki 说:"Wood 的实验室拥有制造微型机器人的独特技能,在过去很多年里已经发明了许多让人印象深刻的发明,我相信它也有在医疗操作器领域取得突破的能力。这个项目就非常成功。"

  微型机器人,用于微任务

  为了制造他们的微型手术机器人 , Suzuki 和 Wood 转向了伍德实验室开发的 Pop-Up MEMS 制造技术,在该技术中,材料相互沉积在一起,然后以特定模式进行激光切割,从而将所需的三维形状 "弹出",像儿童弹出式图画书一样。这种技术大大简化了必需手工建造的复杂结构的生产。

  该团队创建了一个平行四边形作为机器人的主要结构,然后制造了三个线性执行器(mini-AS)来控制机器人的运动:一个平行于四边形底部用来抬升和降低它,一个垂直于平行四边形用来旋转它,一个位于四边形的顶端,用来伸出和收回使用的工具。其结果就是,机器人比学术界以前开发的其他显微手术设备更小、更轻。

  这种迷你 LAS 本身就是微型界的奇迹,它是压电陶瓷材料构成,当施加电场时,这种材料就会改变形状。形状的改变推动着迷你 LAS 的 “运动单元”像火车在轨道上运动一样,沿着 “轨道单元”线性运动,从而推动机器人。由于压电材料会随着自身的形状改变而产生形变,因此该团队也将 LED 光学传感器集成到迷你 LA 中,以此来检测并纠正来自于所需运动的任何偏差,例如由手颤抖造成的偏差。

  比外科医生的手更加稳定

  为了模拟远程手术的条件,该团队将迷你 RCM 连接到 Phantom Omni 设备中,以此来操作迷你 RCM,响应用户控制笔状工具的手的动作。

  在第一次测试中,他们采用用手追踪和迷你 RCM 追踪两种方式,来评估了人类通过显微镜追踪比圆珠笔尖还小的微型方块的能力。与手动操作相比,微型 RCM 显著提高了用户准确性,误差降低了 68%。精准度的提高修复人体中小型且精致的结构上尤为重要。

  在迷你 RCM 成功进行追踪测试之后,研究人员随后创建了一种称为视网膜静脉血管的外科模拟手术。这场手术中,外科医生必须小心地将针头插入眼睛,为眼球后部的微小静脉注射治疗剂。他们制造了一个与视网膜静脉大小相同的硅胶管(大约是人头发直径的两倍),在不造成局部损伤或破坏的情况下,成功地用针头刺穿了它,并连接到了迷你 RCM 的末端。 除了具有精密外科手术的优势外,迷你 RCM 的小体积提供了另一个重要优势:易于设置和安装,在并发症或者停电的情况下,可以轻松的用手将机器人从患者体中取出。

  "在很多需要小型且精密的机器的领域,证明了 Pop-Up MEMS 方法是一种有价值的方法,而且非常令人满意的是,它有潜力去提高手术的安全性和效率,降低对患者的侵入性。" 同时是哈佛大学约翰 · 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 Wood 说道。

  研究人员的目标是增加机器人操作器的力量,超过操作过程中使用过的最大力,并且提高其定位精度。在加工过程中,他们还使用脉冲较短的激光器来提高微型 LAs 的传感分辨率。

  "Wood 实验室和索尼公司之间的这种独特合作方式说明了将工业的实际关注点与学术界的创新精神相结合的好处,我们期待在不久的将来,能看到这项工作对外科机器人技术产生的影响," 哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学的犹大民俗教授,SEAS 生物工程教授,Wys 研究所创始主任 Don Ingber 博士说。


本文来源:大数据文摘微信公众号

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