用于內窺鏡手術的更小 更智能 更柔軟的機械臂

靈活的內窺鏡可以穿過狹窄的通道來治療難以到達的身體部位。然而，一旦它們到達目標，這些裝置依靠剛性手術工具來操縱或移除組織。這些工具為外科醫生提供了降低靈活性和感知能力，限制了內窺鏡的當前治療能力。

現在，來自哈佛大學哈佛大學工程與應用科學學院和威斯哈佛大學生物啟發工程研究所的研究人員開發出一種用于內窺鏡的混合剛性 - 軟機械臂，具有集成的傳感，靈活性和多自由度。這種手臂 - 使用基于彈出式制作和軟平版印刷的制造范例構建 - 平放在內窺鏡上，直到它到達所需的位置，然后彈出以協助外科手術。

該研究在Advanced Materials Technologies中有所描述。

軟機器人對于外科應用非常有前景，因為它們可以匹配身體的剛度，這意味著它們不會意外地刺穿或撕裂組織。然而，在小規模時，軟材料不能產生足夠的力來執行手術任務。

“在毫米級別，軟裝置變得如此柔軟，不會損傷組織，但也無法以任何有意義的方式操縱組織，”SEAS和Wyss研究所的博士后研究員兼合作者Tommaso Ranzani說。論文。“這限制了軟微系統在執行治療方面的應用。問題是，我們如何開發能夠在不影響安全的情況下產生必要力量的軟機器人。”

在生物學的啟發下，該團隊開發了一種混合模型，該模型使用了由柔軟材料包圍的剛性骨架。該制造方法借鑒了Robert River，Charles River工程與應用科學教授開發的以折紙為靈感的彈出式制作工作。

伍德合著了這篇論文，并且是Wyss Institute的核心教員。

以前的彈出式制造技術 - 例如與Robobees一起使用的技術 - 依賴于需要高電壓或高溫來操作的致動方法，這在直接操縱生物組織和器官的外科手術工具中是不安全的。

因此，該團隊將軟驅動器集成到彈出系統中。

“我們發現通過將軟流體微致動器集成到剛性彈出結構中，我們可以創建柔軟的彈出機制，從而在力輸出和運動的可預測性和可控性方面提高執行器的性能，”希拉說。 Russo是SEAS和Wyss的博士后研究員，也是該論文的主要作者。“這項技術背后的理念基本上是通過將軟機器人技術與折紙激發的剛性結構相結合來獲得兩全其美。使用這種制造方法，我們能夠設計出一種可以在內窺鏡導航到平面時平躺的設備。手術區域，當外科醫生到達他們想要操作的區域時，他們可以部署一個可以安全有效地與組織相互作用的軟系統。

軟執行器由水供電。它們通過不可逆的化學鍵與剛性組件連接，無需任何粘合劑。該團隊展示了簡單電容感應的集成，可用于測量施加在組織上的力，并讓外科醫生了解手臂的位置以及手臂的移動方式。該制造方法允許批量制造，這對于醫療設備是重要的，并且允許更高水平的復雜性以用于更多的感測或致動。此外，所有使用的材料都是生物相容的。

手臂還配備了一個吸盤 - 靈感來自章魚觸手 - 可以安全地與組織相互作用。該團隊離體測試該裝置，模擬豬組織上復雜的內窺鏡程序。手臂成功地安全地操縱了組織。

“將溫和而有效的驅動無縫集成到毫米級可展開機構中的能力自然適合于許多外科手術，”Wood說。“我們專注于一些更具挑戰性的內窺鏡技術，其中工具靈活性和傳感器反饋非常重要，并且可能在成功和失敗之間產生差異。”

研究人員證明，該設備可以縮小到1毫米，這將使其可用于更嚴格的內窺鏡手術，如肺部或大腦。

接下來，研究人員希望在體內測試該裝置。

“我們的技術為設計和開發用于生物醫學應用的更小，更智能，更柔軟的機器人鋪平了道路，”Russo說。