眾(zhong)所周知，顯(xian)微外(wai)科(ke)(ke)手術(shu)(shu)常(chang)常(chang)隨同(tong)著極(ji)大的(de)危險，須要(yao)大夫極(ji)為(wei)(wei)邃密且(qie)龐大的(de)操(cao)縱，如斯仍(reng)是(shi)不(bu)免不(bu)測的(de)產生。為(wei)(wei)了避(bi)免出(chu)現(xian)更多的(de)不(bu)測，科(ke)(ke)學家們愿望可以制造出(chu)機(ji)器人(ren)去替換一(yi)部分(fen)須要(yao)人(ren)手的(de)事情，加重(zhong)大夫的(de)承擔，也保障手術(shu)(shu)的(de)平(ping)安與不(bu)變。從而來自索(suo)尼集團跟(gen)哈佛大學的(de)研究者們（HiroyukiSuzuki跟(gen)RobertJ.Wood）基于折紙布局研發了一(yi)款超輕巧，高精度(du)(du)的(de)顯(xian)微外(wai)科(ke)(ke)手術(shu)(shu)機(ji)器人(ren)——mini-RCM，該(gai)項研討頒發于nature旗(qi)下新子刊《naturemachineintelligence》，并(bing)登上該(gai)期刊8月份封面。那款手術(shu)(shu)機(ji)器人(ren)是(shi)專門(men)為(wei)(wei)近程(cheng)操(cao)縱的(de)顯(xian)微手術(shu)(shu)而計劃的(de)，它僅僅重(zhong)達2.4g，尺(chi)寸(cun)為(wei)(wei)5cmx7cmx5cm，由三(san)個自力驅動的(de)微型(xing)直線驅動器驅動，每一(yi)個直線驅動器重(zhong)量僅為(wei)(wei)0.41g。經剖(pou)析(xi)跟(gen)測試，該(gai)機(ji)器人(ren)的(de)地位精度(du)(du)可以到達0.0264mm，負載才能約莫(mo)為(wei)(wei)27mN。經由過程(cheng)試驗測試展現(xian)了該(gai)機(ji)器人(ren)正在顯(xian)微外(wai)科(ke)(ke)手術(shu)(shu)范疇極(ji)大的(de)使(shi)用潛(qian)力。
1.基于折紙結構設計的顯微外科手術機器(qi)人mini-RCM
顯微(wei)(wei)外(wai)科(ke)手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)是(shi)指應用(yong)顯微(wei)(wei)鏡(jing)等光學縮(suo)小設(she)備停止(zhi)毫米，以(yi)(yi)至微(wei)(wei)米標準(zhun)的(de)外(wai)科(ke)手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)，例(li)如縫(feng)合血管，神(shen)經(jing)(jing)等。該項手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)關(guan)于(yu)大(da)夫的(de)技巧跟操縱(zong)要求十分(fen)之高(gao)，次(ci)要受限于(yu)人(ren)(ren)手(shou)(shou)正(zheng)在手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)操作過程(cheng)會不(bu)可(ke)避免(mian)的(de)呈現(xian)極為稍微(wei)(wei)的(de)震顫或(huo)許顫動(dong)，是(shi)以(yi)(yi)全世界只有(you)(you)少數(shu)外(wai)科(ke)醫生會操縱(zong)。比擬于(yu)人(ren)(ren)的(de)肌肉，機(ji)(ji)器人(ren)(ren)有(you)(you)著(zhu)更下的(de)精度(du)跟穩(wen)定度(du)，加倍簡單(dan)操縱(zong)，是(shi)以(yi)(yi)，用(yong)于(yu)外(wai)科(ke)手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)的(de)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)近(jin)幾年(nian)失掉了(le)大(da)力發展，特(te)別(bie)是(shi)顯微(wei)(wei)外(wai)科(ke)手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)，包羅眼(yan)科(ke)手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)跟神(shen)經(jing)(jing)手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)等。應用(yong)遠端操縱(zong)設(she)備，縮(suo)小機(ji)(ji)器人(ren)(ren)的(de)細小舉(ju)措到人(ren)(ren)手(shou)(shou)的(de)較大(da)舉(ju)措，可(ke)以(yi)(yi)極大(da)的(de)進步(bu)手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)過程(cheng)的(de)精度(du)。近(jin)幾年(nian)科(ke)學家們曾經(jing)(jing)研制了(le)各類(lei)手(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)，但現(xian)階(jie)段來(lai)講它們的(de)體積皆較為重大(da)，且根本沒(mei)有(you)(you)具(ju)有(you)(you)和婉性。
圖2.顯微(wei)外(wai)科手(shou)術(shu)機器人
分揀機器人哪個比較好他們正(zheng)在論文中指出，要(yao)念(nian)研(yan)發一款微創手術機(ji)器人(ren)，有三(san)個因素須(xu)要(yao)思量：
1.存在(zai)遠(yuan)端(duan)運動中(zhong)間的布(bu)局(ju)；
2.尺寸(cun)小，進步(bu)便攜(xie)性，削(xue)減(jian)機器人跟手術器械和病人的打仗危險；
3.存在重(zhong)力賠償(chang)跟反向傳動才(cai)能；
圖3.折紙布(bu)局開導的手術機(ji)器人mini-RCM
折紙結構設(she)計可以(yi)應用輕(qing)浮(fu)而堅挺的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)薄片資(zi)料構建三(san)維(wei)布局，知足設(she)計者的(de)(de)(de)需(xu)要(yao)。Mini-RCM手術機器人開(kai)導自“平面書”折紙布局，基于(yu)微(wei)型(xing)電(dian)子機械體(ti)系的(de)(de)(de)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(ti)重力約為1.2g，此外有三(san)個(ge)超微(wei)型(xing)的(de)(de)(de)直(zhi)線驅動器，每一(yi)個(ge)重量約為0.4g。實堪稱“輕(qing)如鴻(hong)毛”，喜好的(de)(de)(de)話可以(yi)間(jian)接揣兜里帶走(zou)！
可以看到，經由過程跟真(zhen)人(ren)巨(ju)細的(de)頭部模子比照，那款(kuan)手術機(ji)器(qi)人(ren)的(de)尺寸細小精巧(qiao)，僅有5cmx7cmx5cm見方。比擬于(yu)其他一些現存的(de)手術機(ji)器(qi)人(ren)，尺寸真(zhen)的(de)是mini-RCM的(de)一大劣勢(shi)。
圖4.Mini-RCM的尺寸——跟頭部模(mo)子(zi)比照
該手術機器(qi)人由(you)三個微型的直(zhi)線(xian)驅動(dong)器(qi)驅動(dong)，電源跟節制旌旗燈號經由(you)過程遠端設備停(ting)止(zhi)傳(chuan)輸。
圖5.Mini-RCM的關(guan)鍵部件
研(yan)究者(zhe)展現的微型線性驅(qu)動器，尺寸僅為28mm×7mm×3.6mm，驅(qu)動原理為壓電陶瓷的粘滑效應，步長可以(yi)來到(dao)0.5mm，速率可以(yi)來到(dao)15mm/s，最大輸出(chu)力可達(da)170mN。
圖(tu)6.微型直線(xian)驅動器
那(nei)款手術(shu)機器人(ren)這么小，它究竟能(neng)做甚么呢？咱(zan)們趕緊賞識(shi)一下那(nei)款手術(shu)機器人(ren)精巧的展現。正在本文的第二部門會向各人(ren)先容那(nei)款機器人(ren)的計(ji)劃原理。此外，文章(zhang)開端附有完全的視頻跟論文信息，感(gan)興趣的讀者(zhe)不要錯過喔！
圖(tu)7.機器人繞(rao)著遠端扭轉中間運(yun)動
Mini-RCM的主體采取(qu)了并(bing)聯(lian)機構計(ji)劃，這類機構可以繞著一個(ge)遠端固(gu)定點的停止扭轉，該固(gu)定點被(bei)稱(cheng)為遠端運動(dong)(dong)中(zhong)(zhong)間。這類結構設計(ji)被(bei)廣泛應(ying)用(yong)于(yu)微創手術機器(qi)人(ren)計(ji)劃，以制止機器(qi)人(ren)正在運動(dong)(dong)進程中(zhong)(zhong)對(dui)瘦語部位(wei)施加過多的力。
圖8.Mini-RCM手(shou)術機器人的運動(dong)規模展(zhan)現(xian)
Mini-RCM的(de)(de)另(ling)一個特色就(jiu)是它(ta)的(de)(de)加工(gong)跟制造比力便(bian)利，它(ta)的(de)(de)布局(ju)(ju)本體開導自(zi)一個咱們(men)生涯中時常見到的(de)(de)折紙布局(ju)(ju)，平面書。經(jing)由過程激光切割好所須要的(de)(de)外形(xing)當前，機器人的(de)(de)主體部位便(bian)可以(yi)依據既定的(de)(de)外形(xing)實現自(zi)立“拆卸”。
圖9.“平面書”本體(ti)自立拆卸
應用機器人(ren)停(ting)止(zhi)顯微外科手術(shu)(shu)操縱(zong)有一個益處就是，可以(yi)經由過(guo)程(cheng)電信號(hao)對機器人(ren)本身(shen)細小的(de)(de)(de)路程(cheng)停(ting)止(zhi)縮(suo)小，例如將1mm的(de)(de)(de)機器人(ren)的(de)(de)(de)運(yun)動縮(suo)小到(dao)遙操縱(zong)設(she)備上(shang)對應的(de)(de)(de)1cm，這樣的(de)(de)(de)話可以(yi)極大的(de)(de)(de)降低大夫手術(shu)(shu)的(de)(de)(de)難度，晉升手術(shu)(shu)的(de)(de)(de)穩定性(xing)跟安全性(xing)。
圖10.機(ji)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(yong)(yong)腳(jiao)跟(gen)(gen)蹤0.5mm邊長(chang)的正(zheng)方形(xing)軌(gui)(gui)跡(ji)(ji)，跟(gen)(gen)用(yong)(yong)mini-RCM繪制不異軌(gui)(gui)跡(ji)(ji)。可(ke)以(yi)看到，用(yong)(yong)手間接跟(gen)(gen)蹤軌(gui)(gui)跡(ji)(ji)時，顫動非常明顯，可(ke)是比擬來講用(yong)(yong)mini-RCM繪制軌(gui)(gui)跡(ji)(ji)則要(yao)不變的多。
圖(tu)11.繪0.5mm正方形——手動跟機器(qi)人操(cao)縱比照
視覺分揀機器人標準研究者展現了(le)一個模擬的(de)顯微手(shou)術試驗，用0.2mm直徑的(de)硅膠(jiao)管模擬人眼球內“視網膜靜脈”，對其(qi)停止顯微插管試驗。正在(zai)顯微鏡下，經由過程裝置于(yu)mini-RCM末尾的(de)針尖可以較為簡單的(de)實現插管操縱。
圖(tu)12.顯(xian)微(wei)外科(ke)手術模擬——0.2mm插管試驗
2.計劃布局及其原理
為了(le)(le)實(shi)現遠端中間(jian)運動，大多數(shu)手術機(ji)(ji)(ji)器人的(de)采取并聯機(ji)(ji)(ji)構計(ji)劃或許(xu)是球樞(shu)紐串連機(ji)(ji)(ji)構計(ji)劃。并聯機(ji)(ji)(ji)構有(you)(you)著較為普遍的(de)運動規模跟(gen)(gen)簡略間(jian)接的(de)計(ji)劃，可是并聯機(ji)(ji)(ji)構包(bao)括有(you)(you)良多的(de)節點，那使(shi)得傳統的(de)計(ji)劃難(nan)以制造(zao)小(xiao)標準的(de)并聯機(ji)(ji)(ji)構。為了(le)(le)辦理這一(yi)問(wen)題，研究者(zhe)采取了(le)(le)一(yi)種奇妙的(de)折紙布(bu)局(ju)(ju)：平面書布(bu)局(ju)(ju)，而且(qie)聯合了(le)(le)微電機(ji)(ji)(ji)體系的(de)計(ji)劃跟(gen)(gen)制造(zao)方法(fa)。
圖13.機器人本體——折紙(zhi)布局
Mini-RCM機器人的(de)(de)本(ben)體是由(you)十多層(ceng)分歧資(zi)料疊加而(er)成(cheng)。經由(you)過程激光切(qie)割(ge)可以間(jian)接切(qie)除(chu)所須要的(de)(de)外形，而(er)且將分歧層(ceng)的(de)(de)外形粘連(lian)熱壓，便失掉了機器人的(de)(de)主體部(bu)門(men)。正在樞紐(niu)處采(cai)取有必然彈性(xing)的(de)(de)資(zi)料，正在支架部(bu)門(men)采(cai)取剛性(xing)的(de)(de)硬資(zi)料。
圖14.多層資料熱壓成型(xing)
經由(you)過(guo)程研(yan)究者的奇妙的結構設(she)計，mini-RCM機(ji)器(qi)人正(zheng)在空間中(zhong)有(you)三個自由(you)度(du)，此中(zhong)包羅兩個扭(niu)轉自由(you)度(du)跟(gen)一(yi)個平(ping)移自由(you)度(du)。
圖15.機器布(bu)局簡圖
Mini-RCM機器人(ren)的(de)(de)(de)運動(dong)規模(mo)展(zhan)現以下圖，離別是沿著遠端扭轉(zhuan)中心點的(de)(de)(de)兩個(ge)標(biao)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)扭轉(zhuan)，和平移運動(dong)。
圖16.運(yun)動規模示意圖
為了(le)(le)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)如斯渺小的(de)(de)(de)折紙布局(ju)，關于驅(qu)(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)計(ji)劃也要知(zhi)足微型化(hua)。研(yan)究(jiu)者們采取了(le)(le)一(yi)種基于壓電陶(tao)瓷粘滑效應的(de)(de)(de)直(zhi)(zhi)線(xian)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)，思量到它的(de)(de)(de)運(yun)動(dong)范圍廣(guang)，和輸出力重比力下。這類直(zhi)(zhi)線(xian)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)技巧絕對較(jiao)為成(cheng)熟靠得(de)住。經由過程試(shi)驗(yan)測試(shi)，研(yan)究(jiu)者計(ji)劃的(de)(de)(de)這款(kuan)直(zhi)(zhi)線(xian)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)最大速(su)率可以到達15mm/s擺(bai)布，最大輸出力約為150mN。
圖17.微型直(zhi)線驅動器(qi)計劃原理
為了(le)丈量直(zhi)線(xian)驅動器(qi)的(de)(de)位移信息，從(cong)而對其停止(zhi)節制，研究(jiu)者采(cai)取了(le)罕(han)見(jian)的(de)(de)光(guang)電傳感(gan)器(qi)的(de)(de)原理，即(ji)應用(yong)光(guang)電遮擋器(qi)來(lai)獲(huo)得滑塊(kuai)的(de)(de)地位信息，如許的(de)(de)計劃丈量精度較下，約(yue)莫為50微米，即(ji)0.05mm。
圖18.直線驅(qu)動器傳感
研究者用一個正弦(xian)的(de)輸入旌旗燈(deng)號(hao)去(qu)節制線性驅動(dong)(dong)器(qi)，下圖展(zhan)現了直線驅動(dong)(dong)器(qi)的(de)運(yun)動(dong)(dong)模(mo)塊以正弦(xian)波做往復運(yun)動(dong)(dong)。
圖19.正弦曲線往復(fu)運動
直線導軌的(de)(de)運動的(de)(de)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(ji)構，必然水平可以縮小直線驅動器的運動節制，從(cong)而(er)讓(rang)人(ren)手(shou)正在操縱機(ji)器人(ren)時間(jian)變(bian)得加倍簡單(dan)。
圖21.近程操縱導(dao)軌運(yun)動
正在(zai)后面展現過的跟(gen)蹤0.5mm正方形軌跡的試(shi)驗(yan)中，手動跟(gen)蹤軌跡的偏(pian)差約(yue)莫降正在(zai)151.7微米擺布，用mini-RCM停(ting)止(zhi)軌跡跟(gen)蹤的偏(pian)差僅(jin)為47微米，把(ba)手術操縱(zong)的精(jing)確度晉升了3倍多。
圖22.手動間(jian)接操(cao)縱跟機(ji)器人操(cao)縱比照
此外(wai)，mini-RCM的另一(yi)個劣勢就是(shi)當機器人的電力出(chu)問題時，可以隨(sui)意馬虎的用(yong)腳移除，從而制止手術不(bu)測關于病(bing)人形成(cheng)的損(sun)傷。
圖23斷(duan)電手動移除機器人設備(bei)
3.總結與展望
圖24.模擬(ni)手術(shu)試(shi)驗展(zhan)現
可以(yi)(yi)看到(dao)，比擬于(yu)(yu)傳統(tong)布(bu)局的(de)手術(shu)(shu)機(ji)器人，折紙布(bu)局開導計劃的(de)mini-RCM手術(shu)(shu)機(ji)器人有著尺寸(cun)小(xiao)，精度(du)高(gao)的(de)特色。經由過程一些遙操縱(zong)的(de)試(shi)驗，mini-RCM展現(xian)了一些它正在顯微外科手術(shu)(shu)中使用的(de)潛力(li)。比擬于(yu)(yu)手動間(jian)接操縱(zong)手術(shu)(shu)，借助(zhu)于(yu)(yu)手術(shu)(shu)機(ji)器人可以(yi)(yi)縮小(xiao)手術(shu)(shu)操縱(zong)的(de)標準，從(cong)而實現(xian)高(gao)精度(du)的(de)操縱(zong)。
當(dang)然，作為第一(yi)代(dai)折紙顯(xian)微(wei)(wei)外科(ke)手術機器(qi)人(ren)，更多水平上仍是(shi)(shi)一(yi)個(ge)概念(nian)性的展(zhan)現，若是(shi)(shi)要(yao)真正(zheng)投入(ru)實用，另有很長的路要(yao)奔忙。研究者指出(chu)，正(zheng)在將(jiang)來，經由過(guo)程結構(gou)設計的優化，他們愿望(wang)可能(neng)進一(yi)步提高mini-RCM的定位精(jing)確性跟輸出(chu)力，從(cong)而真正(zheng)可能(neng)把它推向(xiang)顯(xian)微(wei)(wei)外科(ke)手術機器(qi)人(ren)市場。
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