在過去的半個(gè)世紀(jì)中，微創(chuàng)腹腔鏡手術(shù)使外科醫(yī)生使用工具，并在小切口中插入了微型攝像頭來進(jìn)行手術(shù)，這使得手術(shù)過程對于患者和醫(yī)生而言都更加安全。

近來，外科手術(shù)機(jī)器人開始出現(xiàn)在手術(shù)室中，以允許外科醫(yī)生一次以比傳統(tǒng)技術(shù)更大的精度，靈活性和控制力來操縱多個(gè)工具，從而進(jìn)一步為外科醫(yī)生提供幫助。

但是，這些機(jī)器人系統(tǒng)非常龐大，通常占用整個(gè)房間，其工具可能比其操作的脆弱組織和結(jié)構(gòu)大得多。

Wyss副教授Robert Wood博士與Sony Corporation的機(jī)器人工程師Hiroyuki Suzuki的合作通過創(chuàng)建一個(gè)新的，受折紙啟發(fā)的微型遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)操縱器（“ mini－RCM”），將外科機(jī)器人技術(shù)降到了微尺度。

如最近一期的《自然機(jī)器智能》（Nature Machine Intelligence）所述，該機(jī)器人只有網(wǎng)球大小，重達(dá)一便士，并且成功完成了一項(xiàng)艱巨的模擬外科手術(shù)任務(wù)。

“伍德實(shí)驗(yàn)室在制造微型機(jī)器人方面的獨(dú)特技術(shù)能力在過去幾年中帶來了許多令人印象深刻的發(fā)明，我堅(jiān)信它也有可能在醫(yī)療機(jī)械手領(lǐng)域取得突破，”鈴木說，他是哈佛與索尼合作的一部分，他于2018年開始與伍德合作開發(fā)小型RCM。“這個(gè)項(xiàng)目取得了巨大的成功。”

微型機(jī)器人，用于微任務(wù)

為了創(chuàng)建微型手術(shù)機(jī)器人，Suzuki和Wood求助于Wood實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Pop－Up MEMS制造技術(shù)，該技術(shù)將材料彼此疊層沉積在一起，然后按照特定的圖案進(jìn)行激光切割，允許所需的三維形狀“彈出”，就像在兒童彈出式圖畫書中一樣。

這項(xiàng)技術(shù)大大簡化了小而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)，否則這些結(jié)構(gòu)必須手工精心制作。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了平行四邊形形狀以用作機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)，然后制造了三個(gè)線性致動(dòng)器（mini－LA）來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)：一個(gè)平行于平行四邊形底部的升降器，一個(gè)垂直于該平行四邊形的底部以升降。平行四邊形旋轉(zhuǎn)它，并在平行四邊形的尖端延伸或縮回使用中的工具。

其結(jié)果是，該機(jī)器人比以前在學(xué)術(shù)界開發(fā)的其他顯微外科手術(shù)設(shè)備更小，更輕。

mini－LA本身就是微型奇跡，圍繞著壓電陶瓷材料構(gòu)建，當(dāng)施加電場時(shí)，壓電陶瓷材料會(huì)改變形狀。

形狀的變化將mini－LA的“行進(jìn)器單元”像火車上的火車一樣沿著其“軌道單元”推動(dòng)，并利用線性運(yùn)動(dòng)來移動(dòng)機(jī)器人。

由于壓電材料在改變形狀時(shí)會(huì)固有地變形，因此該團(tuán)隊(duì)還將基于LED的光學(xué)傳感器集成到mini－LA中，以檢測和校正與所需運(yùn)動(dòng)的任何偏差，例如由手震引起的偏差，。

比外科醫(yī)生的手更堅(jiān)固

為了模擬遙控手術(shù)的情況，研究小組將mini－RCM連接到Phantom Omni設(shè)備，該設(shè)備響應(yīng)用戶控制筆形工具的手的運(yùn)動(dòng)來操縱mini－RCM。

他們的第一個(gè)測試評估了人類追蹤顯微鏡的能力，該方塊比圓珠筆的筆尖小，可以通過顯微鏡觀察，或者手動(dòng)追蹤，或者使用mini－RCM追蹤。

mini－RCM測試極大地提高了用戶的準(zhǔn)確性，與手動(dòng)操作相比，將錯(cuò)誤減少了68％－考慮到維修人體細(xì)小結(jié)構(gòu)所需的精度，這一點(diǎn)特別重要。

微型RCM在示蹤測試中獲得成功后，研究人員隨后創(chuàng)建了一個(gè)模擬程序，稱為視網(wǎng)膜靜脈插管手術(shù)，在該模擬手術(shù)中，外科醫(yī)生必須小心地將針頭插入眼睛，以將治療劑注入到后部的細(xì)小靜脈中。眼球。

他們制造了一個(gè)與視網(wǎng)膜靜脈大小相同的硅膠管（大約是人類頭發(fā)粗細(xì)的兩倍），并成功地用連接在mini－RCM末端的針刺穿了硅膠管，而不會(huì)造成局部損傷或破壞。

mini－RCM的體積小巧，除了可以執(zhí)行精細(xì)的手術(shù)操作外，還具有另一個(gè)重要優(yōu)勢：易于安裝和安裝，并且在發(fā)生并發(fā)癥或停電時(shí)，可以很容易地將機(jī)器人從用手病人的身體。

“彈出式MEMS方法在許多需要小型但復(fù)雜的機(jī)器的領(lǐng)域中被證明是一種有價(jià)值的方法，并且非常高興地知道它有潛力提高手術(shù)的安全性和效率，從而使手術(shù)變得更加安全。伍德說，他也是哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的查爾斯河工程與應(yīng)用科學(xué)教授。

研究人員旨在增加機(jī)器人執(zhí)行器的力，以覆蓋操作過程中遇到的最大力，并提高其定位精度。

他們還在研究在加工過程中使用具有較短脈沖的激光，以提高mini－LA的感測分辨率。

“伍德實(shí)驗(yàn)室和索尼之間的這種獨(dú)特合作說明了將現(xiàn)實(shí)世界中的行業(yè)重點(diǎn)與學(xué)術(shù)創(chuàng)新精神相結(jié)合所能帶來的好處，我們期待著這項(xiàng)工作對近期的外科手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)生影響。 Wyss研究所的創(chuàng)始董事Don Ingber博士說，他還是哈佛醫(yī)學(xué)院和波士頓兒童醫(yī)院的猶大Folkman生物學(xué)教授，還是SEAS的生物工程學(xué)教授。