开云网页登录 高安柱副教授、杨广中教授、陈卫东教授团队提出“面向腔内宏微运动的亚毫米尺度纤微机器人”，该成果发表在Science Advances杂志上。本文提出亚毫米尺寸纤细微小柔性连续体机器人的光纤复用且宏微驱动解耦思路，采用光纤的机械运动完成宏运动，同时光纤内部光路传输至末端光响应材料完成微运动，宏微运动组合实现狭窄腔内跨尺度介入与操作，提升狭窄腔内的连续体机器人宏微作业能力。论文第一作者是开云网页登录 博士生周成，开云网页登录 高安柱副教授、杨广中教授、陈卫东教授为共同通讯作者。

 

Cheng Zhou, Zheng Xu, Zecai Lin, Xiaotong Qin, Jingyuan Xia, Xiaojie Ai, Chuqian Lou, Ziyi Huang, Shaoping Huang, Huanghua Liu, Yun Zou, Weidong Chen*, Guang-Zhong Yang*, and Anzhu Gao*. "Submillimeter Fiber Robots Capable of Decoupled Macro-Micro Motion for Endoluminal Manipulation." Science Advances 10, no. 47 (2024): eadr6428. https://dx.doi.org/doi:10.1126/sciadv.adr6428.

关键词：腔内介入，手术机器人，纤微机器人，连续体机器人，宏微运动，光纤复用

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

原文链接: https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adr6428

        经人体自然腔道的无创或微创精准诊疗成为医学手术的新兴趋势，能够推动重大疾病的早期干预和精确治疗。然而，这些腔道通常是狭窄，曲折和脆弱的。为了在腔道内自由和准确地导航，具有高自由度和灵活性的连续体机器人被广泛使用。然而，现有的连续体机器人的定位精度通常在毫米尺度，难以执行高精度手术任务。同时，对于实际临床部署的腔内介入手术，既需要快速的运动以到达目标部位，又需要精确的运动以进行局部操作。在实现宏微运动时，机器人尺寸的小型化、运动速度、范围和精度的权衡，以及宏微运动之间的串扰，给腔内介入机器人的高精度运动带来挑战。

       针对这些挑战，研究者设计了亚毫米尺度的光纤驱动纤微机器人，能够解耦宏观和微观操作，可以在腔内介入的过程中实现跨尺度运动，实现高精度腔内介入手术。

图1：具有驱动解耦的宏微纤微机器人用于腔内介入

          本文所提出的光纤机器人构型如图1所示。亚毫米尺寸纤细微小柔性连续体机器人（~1 mm）的光纤复用且宏微驱动解耦思路，采用光纤的机械运动完成宏运动，同时光纤作为光波导，内部光路传输至末端光响应液晶弹性体（LCE）完成微运动，宏微运动组合实现狭窄腔内跨尺度介入与操作，提升狭窄腔内的连续体机器人宏微操作能力。

图2: 光驱动LCE纤维的设计与驱动性能表征

      微驱动的驱动单元由LCE构成，每根LCE纤维内置一根光纤（外径约为125 μm），为LCE提供光刺激。通过光输出功率和光开关控制输出PWM波，该LCE单元可在激光照射下实现可控收缩。

图3：微型并联机器人的驱动性能展示

      三根LCE驱动单元构成一个三自由度的微平台，通过对微并联机器人的三根LCE驱动单元进行可控收缩时序编程，可实现微驱动器末端位置的轨迹规划，并可通过手柄进行遥操作，实现精确运动。

图4：用于宏运动的连续体机器人的设计制造与表征

      微型并联机器人固连在一个宏连续体机器人末端。 宏机器人的主体由热拉（SEBS）多腔道纤维作为基底，来提供肌腱和器械通道，由飞秒激光切割的聚酰亚胺作为机器人外骨架。当拉动光纤肌腱时，可实现宏机器人的偏转。

图5：宏微驱动纤微机器人的解耦能力验证与运动展示

      为了验证宏微运动的解耦特性，研究者设计了arUco标记基准系统用于检测宏微机器人串扰的水平。通过分析光驱动微机器人对静态宏观机器人的干扰，评价了系统的串扰水平。首先将尺寸为2mm × 2mm、制造精度为1 μm的arUco标记固连在微机器人的基座上。在驱动微机器人的过程中，利用高分辨率摄像机识别arUco标记。因此，在驱动微机器人的过程中，记录了对宏机器人的任何干扰的精确监测。计算姿态信息表明，宏机器人未受到明显的干扰。宏观运动和微观运动之间的串扰可以忽略不计。

      为了展示其宏微观操控能力，光纤机器人通过远程手柄遥操作，在复杂的路径中导航到指定的目标。该导航路径的特征尺寸（路径的最小尺寸）从数十微米（0.06 mm）到数百微米（0.3 mm），路径的整体区域范围从到数百微米（0.2 mm）和到几毫米（2.5 mm）。此外，光纤机器人在其尖端安装了一根微针（0.08 mm），被精确地引导到一个微小的靶区（0.06 mm）。通过实验验证了该宏微纤维机器人的有效性和准确性。

图 6. 活体豚鼠经耳道鼓膜微穿刺

       最后，为了验证在真实人体腔道内导航和操作的能力，研究者搭建宏微纤微机器人穿刺系统，经外耳道导航进入耳内，在活体豚鼠鼓膜上进行不同图案的精准穿刺，验证了在宏导航和微定位的能力。

      综上所述，研究者提出了亚毫米尺度的光纤驱动的纤微机器人，通过宏观拉动光纤肌腱，实现宏观机器人运动，并通过激光激励液晶弹性体收缩，实现微观机器人运动。该宏驱动与微驱动通过光纤复用实现驱动解耦，可以在腔内介入的过程中实现跨尺度运动，实现高精度腔内介入手术。