眾所周知，顯微外科手術常常隨同著極大的危險，須要大夫極為邃密且龐大的操縱，如斯仍是不免不測的產生。為了避免出現更多的不測，科學家們愿望可以制造出機器人去替換一部分須要人手的事情，加重大夫的承擔，也保障手術的平安與不變。從而來自索尼集團跟哈佛大學的研究者們（HiroyukiSuzuki跟RobertJ.Wood）基于折紙布局研發(fā)了一款超輕巧，高精度的顯微外科手術機器人——mini-RCM，該項研討頒發(fā)于nature旗下新子刊《naturemachineintelligence》，并登上該期刊8月份封面。那款手術機器人是專門為近程操縱的顯微手術而計劃的，它僅僅重達2.4g，尺寸為5cmx7cmx5cm，由三個自力驅動的微型直線驅動器驅動，每一個直線驅動器重量僅為0.41g。經剖析跟測試，該機器人的地位精度可以到達0.0264mm，負載才能約莫為27mN。經由過程試驗測試展現了該機器人正在顯微外科手術范疇極大的使用潛力。
1.基于折紙結構設計的顯微外科手術機器人mini-RCM
顯微外科手術是指應用顯微鏡等光學縮小設備停止毫米，以至微米標準的外科手術，例如縫合血管，神經等。該項手術關于大夫的技巧跟操縱要求十分之高，次要受限于人手正在手術操作過程會不可避免的呈現極為稍微的震顫或許顫動，是以全世界只有少數外科醫(yī)生會操縱。比擬于人的肌肉，機器人有著更下的精度跟穩(wěn)定度，加倍簡單操縱，是以，用于外科手術的機器人近幾年失掉了大力發(fā)展，特別是顯微外科手術機器人，包羅眼科手術跟神經手術等。應用遠端操縱設備，縮小機器人的細小舉措到人手的較大舉措，可以極大的進步手術過程的精度。近幾年科學家們曾經研制了各類手術機器人，但現階段來講它們的體積皆較為重大，且根本沒有具有和婉性。
圖2.顯微外科手術機器人
分揀機器人哪個比較好他們正在論文中指出，要念研發(fā)一款微創(chuàng)手術機器人，有三個因素須要思量：
1.存在遠端運動中間的布局；
2.尺寸小，進步便攜性，削減機器人跟手術器械和病人的打仗危險；
3.存在重力賠償跟反向傳動才能；
圖3.折紙布局開導的手術機器人mini-RCM
折紙結構設計可以應用輕浮而堅挺的的薄片資料構建三維布局，知足設計者的需要。Mini-RCM手術機器人開導自“平面書”折紙布局，基于微型電子機械體系的原理計劃。據研究者稱，那款機器人僅僅重達2.4g，此中，機器人本體重力約為1.2g，此外有三個超微型的直線驅動器，每一個重量約為0.4g。實堪稱“輕如鴻毛”，喜好的話可以間接揣兜里帶走！
可以看到，經由過程跟真人巨細的頭部模子比照，那款手術機器人的尺寸細小精巧，僅有5cmx7cmx5cm見方。比擬于其他一些現存的手術機器人，尺寸真的是mini-RCM的一大劣勢。
圖4.Mini-RCM的尺寸——跟頭部模子比照
該手術機器人由三個微型的直線驅動器驅動，電源跟節(jié)制旌旗燈號經由過程遠端設備停止傳輸。
圖5.Mini-RCM的關鍵部件
研究者展現的微型線性驅動器，尺寸僅為28mm×7mm×3.6mm，驅動原理為壓電陶瓷的粘滑效應，步長可以來到0.5mm，速率可以來到15mm/s，最大輸出力可達170mN。
圖6.微型直線驅動器
那款手術機器人這么小，它究竟能做甚么呢？咱們趕緊賞識一下那款手術機器人精巧的展現。正在本文的第二部門會向各人先容那款機器人的計劃原理。此外，文章開端附有完全的視頻跟論文信息，感興趣的讀者不要錯過喔！
圖7.機器人繞著遠端扭轉中間運動
Mini-RCM的主體采取了并聯機構計劃，這類機構可以繞著一個遠端固定點的停止扭轉，該固定點被稱為遠端運動中間。這類結構設計被廣泛應用于微創(chuàng)手術機器人計劃，以制止機器人正在運動進程中對瘦語部位施加過多的力。
圖8.Mini-RCM手術機器人的運動規(guī)模展現
Mini-RCM的另一個特色就是它的加工跟制造比力便利，它的布局本體開導自一個咱們生涯中時常見到的折紙布局，平面書。經由過程激光切割好所須要的外形當前，機器人的主體部位便可以依據既定的外形實現自立“拆卸”。
圖9.“平面書”本體自立拆卸
應用機器人停止顯微外科手術操縱有一個益處就是，可以經由過程電信號對機器人本身細小的路程停止縮小，例如將1mm的機器人的運動縮小到遙操縱設備上對應的1cm，這樣的話可以極大的降低大夫手術的難度，晉升手術的穩(wěn)定性跟安全性。
圖10.機器人運動的遙操縱
分揀機器人的使用注意事項研究者們展現了一組比照試驗，即用腳跟蹤0.5mm邊長的正方形軌跡，跟用mini-RCM繪制不異軌跡?？梢钥吹?，用手間接跟蹤軌跡時，顫動非常明顯，可是比擬來講用mini-RCM繪制軌跡則要不變的多。
圖11.繪0.5mm正方形——手動跟機器人操縱比照
視覺分揀機器人標準研究者展現了一個模擬的顯微手術試驗，用0.2mm直徑的硅膠管模擬人眼球內“視網膜靜脈”，對其停止顯微插管試驗。正在顯微鏡下，經由過程裝置于mini-RCM末尾的針尖可以較為簡單的實現插管操縱。
圖12.顯微外科手術模擬——0.2mm插管試驗
2.計劃布局及其原理
為了實現遠端中間運動，大多數手術機器人的采取并聯機構計劃或許是球樞紐串連機構計劃。并聯機構有著較為普遍的運動規(guī)模跟簡略間接的計劃，可是并聯機構包括有良多的節(jié)點，那使得傳統(tǒng)的計劃難以制造小標準的并聯機構。為了辦理這一問題，研究者采取了一種奇妙的折紙布局：平面書布局，而且聯合了微電機體系的計劃跟制造方法。
圖13.機器人本體——折紙布局
Mini-RCM機器人的本體是由十多層分歧資料疊加而成。經由過程激光切割可以間接切除所須要的外形，而且將分歧層的外形粘連熱壓，便失掉了機器人的主體部門。正在樞紐處采取有必然彈性的資料，正在支架部門采取剛性的硬資料。
圖14.多層資料熱壓成型
經由過程研究者的奇妙的結構設計，mini-RCM機器人正在空間中有三個自由度，此中包羅兩個扭轉自由度跟一個平移自由度。
圖15.機器布局簡圖
Mini-RCM機器人的運動規(guī)模展現以下圖，離別是沿著遠端扭轉中心點的兩個標的目的的扭轉，和平移運動。
圖16.運動規(guī)模示意圖
為了驅動如斯渺小的折紙布局，關于驅動器的計劃也要知足微型化。研究者們采取了一種基于壓電陶瓷粘滑效應的直線驅動器，思量到它的運動范圍廣，和輸出力重比力下。這類直線驅動器技巧絕對較為成熟靠得住。經由過程試驗測試，研究者計劃的這款直線驅動器最大速率可以到達15mm/s擺布，最大輸出力約為150mN。
圖17.微型直線驅動器計劃原理
為了丈量直線驅動器的位移信息，從而對其停止節(jié)制，研究者采取了罕見的光電傳感器的原理，即應用光電遮擋器來獲得滑塊的地位信息，如許的計劃丈量精度較下，約莫為50微米，即0.05mm。
圖18.直線驅動器傳感
研究者用一個正弦的輸入旌旗燈號去節(jié)制線性驅動器，下圖展現了直線驅動器的運動模塊以正弦波做往復運動。
圖19.正弦曲線往復運動
直線導軌的運動的分辨率為0.5mm每步。
圖20.0.5mm步長運動
潮州分揀機器人經由過程遙操縱的機構，必然水平可以縮小直線驅動器的運動節(jié)制，從而讓人手正在操縱機器人時間變得加倍簡單。
圖21.近程操縱導軌運動
正在后面展現過的跟蹤0.5mm正方形軌跡的試驗中，手動跟蹤軌跡的偏差約莫降正在151.7微米擺布，用mini-RCM停止軌跡跟蹤的偏差僅為47微米，把手術操縱的精確度晉升了3倍多。
圖22.手動間接操縱跟機器人操縱比照
此外，mini-RCM的另一個劣勢就是當機器人的電力出問題時，可以隨意馬虎的用腳移除，從而制止手術不測關于病人形成的損傷。
圖23斷電手動移除機器人設備
3.總結與展望
圖24.模擬手術試驗展現
可以看到，比擬于傳統(tǒng)布局的手術機器人，折紙布局開導計劃的mini-RCM手術機器人有著尺寸小，精度高的特色。經由過程一些遙操縱的試驗，mini-RCM展現了一些它正在顯微外科手術中使用的潛力。比擬于手動間接操縱手術，借助于手術機器人可以縮小手術操縱的標準，從而實現高精度的操縱。
當然，作為第一代折紙顯微外科手術機器人，更多水平上仍是一個概念性的展現，若是要真正投入實用，另有很長的路要奔忙。研究者指出，正在將來，經由過程結構設計的優(yōu)化，他們愿望可能進一步提高mini-RCM的定位精確性跟輸出力，從而真正可能把它推向顯微外科手術機器人市場。
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