受到折紙的啟發(fā) 哈佛與索尼合作打造了一個迷你外科手術(shù)機器人

在過去的半個世紀(jì)里，外科醫(yī)生使用工具和插入到小切口的微型相機進(jìn)行微創(chuàng)腹腔鏡手術(shù)手術(shù)。這種手術(shù)方式對患者和醫(yī)生都更加安全。最近，協(xié)助外科醫(yī)生的手術(shù)機器人開始出現(xiàn)在手術(shù)室里，這樣醫(yī)生可以同時操縱多個工具，這比傳統(tǒng)方式更精確，更靈活，更有控制力。

但是，這些機器人系統(tǒng)是非常大的，通常需要占據(jù)一整個房間，且它們的工具比它們操作的精密組織和結(jié)構(gòu)大得多。哈佛大學(xué)副教職員工 Robert Wood 博士和索尼公司的機器人工程師 Hiroyuki Suzuki 進(jìn)行合作，通過創(chuàng)建一個新的折紙式微型遠(yuǎn)程運動操縱器中心（"mini-RCM"），將手術(shù)機器人降到了微觀尺度。

這種機器人大小像一個網(wǎng)球，重量約等于一分錢的重量。正如最近一期《Nature Machine Intelligence》所描述的那樣，這種機器人已經(jīng)成功地執(zhí)行了一個困難的模擬手術(shù)任務(wù)。

Suzuki 說："Wood 的實驗室擁有制造微型機器人的獨特技能，在過去很多年里已經(jīng)發(fā)明了許多讓人印象深刻的發(fā)明，我相信它也有在醫(yī)療操作器領(lǐng)域取得突破的能力。這個項目就非常成功。"

微型機器人，用于微任務(wù)

為了制造他們的微型手術(shù)機器人， Suzuki 和 Wood 轉(zhuǎn)向了伍德實驗室開發(fā)的 Pop-Up MEMS 制造技術(shù)，在該技術(shù)中，材料相互沉積在一起，然后以特定模式進(jìn)行激光切割，從而將所需的三維形狀"彈出"，像兒童彈出式圖畫書一樣。這種技術(shù)大大簡化了必需手工建造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。

該團(tuán)隊創(chuàng)建了一個平行四邊形作為機器人的主要結(jié)構(gòu)，然后制造了三個線性執(zhí)行器（mini-AS）來控制機器人的運動：一個平行于四邊形底部用來抬升和降低它，一個垂直于平行四邊形用來旋轉(zhuǎn)它，一個位于四邊形的頂端，用來伸出和收回使用的工具。

其結(jié)果就是，機器人比學(xué)術(shù)界以前開發(fā)的其他顯微手術(shù)設(shè)備更小、更輕。這種迷你 LAS 本身就是微型界的奇跡，它是壓電陶瓷材料構(gòu)成，當(dāng)施加電場時，這種材料就會改變形狀。形狀的改變推動著迷你 LAS 的“運動單元”像火車在軌道上運動一樣，沿著“軌道單元”線性運動，從而推動機器人。

由于壓電材料會隨著自身的形狀改變而產(chǎn)生形變，因此該團(tuán)隊也將 LED 光學(xué)傳感器集成到迷你 LA 中，以此來檢測并糾正來自于所需運動的任何偏差，例如由手顫抖造成的偏差。

比外科醫(yī)生的手更加穩(wěn)定

為了模擬遠(yuǎn)程手術(shù)的條件，該團(tuán)隊將迷你 RCM 連接到 Phantom Omni 設(shè)備中，以此來操作迷你 RCM，響應(yīng)用戶控制筆狀工具的手的動作。

在第一次測試中，他們采用用手追蹤和迷你 RCM 追蹤兩種方式，來評估了人類通過顯微鏡追蹤比圓珠筆尖還小的微型方塊的能力。與手動操作相比，微型 RCM 顯著提高了用戶準(zhǔn)確性，誤差降低了 68%。精準(zhǔn)度的提高修復(fù)人體中小型且精致的結(jié)構(gòu)上尤為重要。

在迷你 RCM 成功進(jìn)行追蹤測試之后，研究人員隨后創(chuàng)建了一種稱為視網(wǎng)膜靜脈血管的外科模擬手術(shù)。這場手術(shù)中，外科醫(yī)生必須小心地將針頭插入眼睛，為眼球后部的微小靜脈注射治療劑。他們制造了一個與視網(wǎng)膜靜脈大小相同的硅膠管（大約是人頭發(fā)直徑的兩倍），在不造成局部損傷或破壞的情況下，成功地用針頭刺穿了它，并連接到了迷你 RCM 的末端。

除了具有精密外科手術(shù)的優(yōu)勢外，迷你 RCM 的小體積提供了另一個重要優(yōu)勢：易于設(shè)置和安裝，在并發(fā)癥或者停電的情況下，可以輕松的用手將機器人從患者體中取出。

"在很多需要小型且精密的機器的領(lǐng)域，證明了 Pop-Up MEMS 方法是一種有價值的方法，而且非常令人滿意的是，它有潛力去提高手術(shù)的安全性和效率，降低對患者的侵入性。"同時是哈佛大學(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 Wood 說道。研究人員的目標(biāo)是增加機器人操作器的力量，超過操作過程中使用過的最大力，并且提高其定位精度。在加工過程中，他們還使用脈沖較短的激光器來提高微型 LAs 的傳感分辨率。"

Wood 實驗室和索尼公司之間的這種獨特合作方式說明了將工業(yè)的實際關(guān)注點與學(xué)術(shù)界的創(chuàng)新精神相結(jié)合的好處，我們期待在不久的將來，能看到這項工作對外科機器人技術(shù)產(chǎn)生的影響，"哈佛醫(yī)學(xué)院和波士頓兒童醫(yī)院血管生物學(xué)的猶大民俗教授，SEAS 生物工程教授，Wys 研究所創(chuàng)始主任 Don Ingber 博士說。