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用于内窥镜手术的更小更智能更柔软的机械臂

发布时间:2021年08月18日    点击:[0]人次

用于内窥镜手术的更小,更智能,更柔软的机械臂

柔性内窥镜可以蜿蜒穿过狭窄的通道,以治疗难以到达的身体部位。但是,一旦它们到达目标,这些设备将依靠刚性手术工具来操纵或取出组织。这些工具为外科医生提供了降低的灵活性和灵敏性,从而限制了内窥镜的当前治疗能力中国机械网okmao.com。

现在,哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院和哈佛大学威斯生物启发工程研究所的研究人员已经开发出了一种用于内窥镜的,具有集成感测,灵活性和多个自由度的混合刚柔机器人臂。

使用基于弹出式制造和软光刻技术的制造范例构建的该臂平放在内窥镜上,直到到达所需位置,然后弹出以协助进行外科手术。

该研究在Advanced Materials Technologies中进行了描述。

软机器人在外科手术中非常有前途,因为它们可以匹配身体的刚度,这意味着它们不会意外刺穿或撕裂组织。但是,在小规模情况下,软材料无法产生足够的力来执行外科手术任务。

SEAS和Wyss研究所的博士后研究员Tommaso Ranzani说:“在毫米尺度上,软的装置变得如此柔软以至于它不会损伤组织,但也无法以任何有意义的方式操纵组织。“

这限制了用于治疗的软微系统的应用。问题是,我们如何才能开发出能够在不损害安全性的前提下仍然能够产生必要力的软机器人。”

软弹出臂在对猪胃的离体测试期间执行组织反牵引。

受生物学启发,研究小组开发了一种混合模型,该模型使用了被软材料包围的刚性骨架。该制造方法借鉴了查尔斯河工程与应用科学教授罗伯特·伍德(Robert Wood)以前在折纸启发的弹出式制作中的工作。

伍德是该论文的合著者,也是威斯学院(Wyss Institute)的核心教员。

以前的弹出式制造技术(例如与Robobees一起使用的制造技术)依赖于需要高压或高温才能进行操作的致动方法,这在直接操作生物组织和器官的外科手术工具中并不安全。

因此,团队将软促动器集成到了弹出系统中。

柔软的弹出式臂在猪胃的离体测试过程中执行组织反牵引功劳:哈佛大学“我们发现,通过将软流体微致动器集成到刚性弹起结构中,我们可以创建软弹起机制,从而在力输出以及运动的可预测性和可控性方面提高执行器的性能。”

Russo,SEAS和Wyss的博士后研究员,论文的主要作者。“这项技术的基本原理是,将软机器人技术与折纸启发的刚性结构结合起来,从而获得两全其美的效果。

使用这种制造方法,我们能够设计出一种能够在内窥镜导航到内窥镜时平放的设备。手术区域,当外科医生到达他们想要手术的区域时,他们可以部署一个可以安全有效地与组织相互作用的软系统。”

所述软的致动器是由水提供动力。它们通过不可逆的化学键连接到刚性组件,不需要任何粘合剂。

该团队展示了简单电容感测的集成,该电容感测可用于测量施加在组织上的力,并为外科医生提供手臂在哪里以及手臂如何移动的感觉。

该制造方法允许批量制造,这对于医疗设备很重要,并且允许增加复杂性水平以进行更多的感测或致动。此外,所有使用的材料都是生物相容的。

该手臂还配有吸盘(受章鱼触角启发),可与组织安全相互作用。该团队离体测试了该设备,模拟了猪组织的复杂内窥镜检查程序。手臂成功地安全地操纵了组织。

伍德说:“将轻柔而有效的动作无缝地集成到毫米级可展开机构中的能力自然符合许多外科手术程序。”

“我们专注于一些更具挑战性的内窥镜技术,在这些技术中,工具灵巧性和传感器反馈非常重要,并且有可能在成功与失败之间发挥作用。”

多关节软弹出机械臂。系统概念(左):在内窥镜中导航的内窥镜和安装在内窥镜尖端的手臂的细节。

软弹出臂(右)在对猪胃的离体测试期间执行组织反作用力。

研究人员证明,该设备可以缩小到1毫米,这将使其可以用于更严格的内窥镜检查程序,例如在肺部或大脑中。

接下来,研究人员希望在体内测试该设备。

Russo说:“我们的技术为设计和开发用于生物医学应用的更小,更智能,更柔软的机器人铺平了道路。”