受折纸启发,哈佛与索尼打造了一个迷你外科手术机器人

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2020-10-18 05:35

在从前的半个世纪里,外科医生应用工具跟插入到小切口的微型相机进行微创腹腔镜手术手术。这种手术办法关于患者跟医生都更加保险。

最近,辅佐外科医生的手术机器人开始涌往常手术室里,这样医生可能同时操纵多个工具,这比传统办法更准确,更灵活,更有掌握力。然而,这些机器人系统是非常大的,通常需要盘踞一整个房间,且它们的工具比它们操作的精巧组织跟结构大得多。

哈佛大学副教人员工 Robert Wood 博士跟索尼公司的机器人工程师 Hiroyuki Suzuki 进行配合,通过创建一个新的折纸式微型远程活动操纵器核心("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施行了一个艰苦的模拟手术义务。

Suzuki 说:"Wood 的实验室具有制造微型机器人的奇特技艺,在从前许多年里已经发现了良多让人印象深刻的发现,我信任它也有在医疗操作器范围失掉突立的能力。这个名目就非常成功。"

微型机器人,用于微义务

为了制造他们的微型手术机器人 , Suzuki 跟 Wood 转向了伍德实验室开发的 Pop-Up MEMS 制造技巧,在该技巧中,资料相互堆积在一起,而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。这种技巧大大简化了必需手工建筑的冗长结构的生产。

该团队创建了一个平行四边形作为机器人的主要结构,而后制造了三个线性施行器(mini-AS)来掌握机器人的活动:一个平行于四边形底部用来抬升跟降低它,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,用来伸出跟收回应用的工具。其后果就是,机器人比学术界以前开发的其余显微手术装备更小、更轻。

这种迷您 LAS 自身就是微型界的奇观,它是压电陶瓷资料构成,当施加电场时,这种资料就会转变形状。形状的转变推动入迷您 LAS 的 “活动单元”像火车在轨道上活动一样,沿着 “轨道单元”线性活动,从而推动机器人。由于压电资料会和着本身的形状转变而产生形变,因此该团队也将 LED 光学传感器集成到迷您 LA 中,以此来检测并矫正来自于所需活动的任何偏差,例如由手哆嗦形成的偏差。

比外科医生的手更加波动

为了模拟远程手术的条件,该团队将迷您 RCM 连接到 Phantom Omni 装备中,以此来操作迷您 RCM,照利用户掌握笔状工具的手的动作。

在第一次测试中,他们采纳用手追踪跟迷您 RCM 追踪两种办法,来评价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 显明进步了用户精确性,误差降低了 68%。精准度的先深造复人体中小型且精细的结构上尤为首要。

在迷您 RCM 成功进行追踪测试之后,研究职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打针治疗剂。他们制造了一个与视网膜静脉大小相同的硅胶管(大概是人头发直径的两倍),在没有形成局部危害或立坏的情况下,成功地用针头刺穿了它,并连接到了迷您 RCM 的末端。 除了存在精巧外科手术的上风外,迷您 RCM 的小体积供给了另一个首要上风:易于设置跟装置,在并发症也许停电的情况下,可能轻松的用手将机器人从患者体中取出。

"在许多需要小型且精巧的机器的范围,证明了 Pop-Up MEMS 行动是一种有价值的行动,而且非常令人称心的是,它有潜力去进步手术的保险性跟效率,降低关于患者的侵入性。" 同时是哈佛大学约翰 · 保尔森工程与利用科学学院(SEAS)的查尔斯河工程与利用科学教养 Wood 说道。

研究职员的目标是增添机器人操作器的气力,超过操作历程中应用过的最大力,并且进步其定位精度。在加工历程中,他们还应用脉冲较短的激光器来进步微型 LAs 的传感分辨率。

"Wood 实验室跟索尼公司之间的这种独特配合办法解释了将工业的实践关注点与学术界的翻新肉体相结合的好处,咱们等候在未多少的将来,能看到这项工作关于外科机器人技巧产生的影响," 哈佛医学院跟波士顿儿童病院血管生物学的犹大民俗教养,SEAS 生物工程教养,Wys 研究所开创主任 Don Ingber 博士说。

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