受折纸启发，用于显微外科手术的微型机械手

微创腹腔镜手术在过去的半个世纪里，外科医生使用工具和微型摄像机插入小切口进行手术，使得外科手术对病人和医生来说都更加安全。最近,手术机器人已经开始出现在手术室中，进一步帮助外科医生，使他们能够同时操作多个工具，具有比传统技术更高的精度、灵活性和控制性。然而，这些机器人系统非常大，经常占据整个房间，它们的工具可能比它们操作的精细组织和结构要大得多。

Wyss的副教授Robert Wood博士和索尼公司的机器人工程师Hiroyuki Suzuki合作，创造了一种新的微型外科机器人，折纸-启发的微型遥控运动机械手中心(“迷你rcm”)。这个机器人只有一个网球大小，大约一便士重，成功地完成了一项困难的模拟手术任务。伍德实验室独特的技术能力微型机器人导致了一系列令人印象深刻的发明在过去的几年里,我相信,它也有可能使医疗机械手领域的一个突破,”铃木说,他在2018年开始使用木材在mini-RCM Harvard-Sony合作的一部分。“这个项目取得了巨大成功。”

微型机器人

创建他们的微型手术机器人,铃木和木头变成了弹出式MEMS制造技术在木材的实验室,开发材料的堆积在彼此的顶部层粘合在一起,然后在一个特定的模式,允许所需的激光切割三维形状“弹出”,就像一本儿童立体图画书。这种技术极大地简化了小型复杂结构的大规模生产，否则就必须费力地用手工建造。

该团队创造了一个平行四边形形状作为机器人的主要结构，然后制作了三个线性驱动器(mini-LAs)来控制机器人的运动:一个平行于平行四边形底部，抬高或降低它，一个垂直于平行四边形，旋转它，另一个位于平行四边形顶端，在使用中扩展或收回工具。其结果是，这种机器人比学术界以前开发的其他显微外科手术设备更小、更轻。

迷你las本身就是一个微型的奇迹，它围绕着压电陶瓷材料建造，当电场作用时，压电陶瓷材料会改变形状。这种形状的改变推动迷你洛杉矶的“奔跑单元”沿着它的“轨道单元”，就像火车在铁轨上一样，并且利用这种线性运动来移动机器人。由于压电材料在改变形状时固有的变形，该团队还集成了基于led的材料光学传感器进入mini-LA，以检测和纠正任何偏离预期动作的偏差，比如手部颤抖引起的偏差。

比外科医生的手还稳

为了模拟远程手术的情况，该团队将迷你rcm连接到一个Phantom Omni设备上，该设备根据用户控制笔状工具的手的动作来操纵迷你rcm。他们的第一个测试评估了一个人在显微镜下观察一个比圆珠笔尖还小的正方形的能力，用手或者用迷你rcm来观察。迷你rcm测试极大地提高了用户的准确性，与人工操作相比，误差减少了68%——考虑到修复人体微小而精致的结构所需的精度，这是一个特别重要的品质。

在微型rcm在追踪测试上取得成功后，研究人员随后创建了一个模拟版本的外科手术，称为视网膜静脉套管，在这个手术中，外科医生必须小心地将一根针穿过眼睛，将治疗药物注入眼球后部的微小静脉。他们制作了一个与视网膜静脉大小相同的硅胶管(大约是人类头发厚度的两倍)，并成功地用一根连接在微型rcm末端的针刺穿它，而没有造成局部损伤或破坏。

除了在精细的手术操作上的有效性，迷你rcm的小尺寸还提供了另一个重要的好处:它易于设置和安装，在出现并发症或停电的情况下，机器人可以很容易地用手从病人的身体上取出。“Pop-Up MEMS方法被证明是一种有价值的方法，在许多需要小型但复杂的机器的领域，它是非常令人满意的，知道它有潜力提高手术的安全性和效率，使其对患者的伤害更小。”他同时也是哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)查尔斯河工程与应用科学教授。

研究人员的目标是增加机器人驱动器的力，以覆盖操作过程中所经历的最大力，并提高其定位精度。他们还在研究在加工过程中使用更短脉冲的激光器，以提高mini-LAs的传感分辨率。“伍德实验室和索尼之间的这次独特的合作表明，将工业界对现实世界的关注与学术界的创新精神相结合可以带来好处，我们期待着看到这项工作将在不久的将来对外科机器人产生的影响。”Wyss研究所的创始主任Don Ingber医学博士说，他也是哈佛医学院和波士顿儿童医院的Judah Folkman血管生物学教授和SEAS的生物工程教授。

这项工作发表在自然机器智能．