眾所(suo)周知，顯(xian)微(wei)(wei)外(wai)(wai)科手(shou)(shou)(shou)術常(chang)(chang)常(chang)(chang)隨同(tong)著(zhu)極(ji)大(da)的(de)(de)危(wei)險，須要(yao)大(da)夫極(ji)為(wei)邃密且龐大(da)的(de)(de)操縱，如斯仍是(shi)不免不測的(de)(de)產生(sheng)。為(wei)了避免出(chu)現更多的(de)(de)不測，科學(xue)家們愿望可(ke)以(yi)(yi)制(zhi)造出(chu)機器(qi)(qi)(qi)人(ren)去替換一(yi)部分須要(yao)人(ren)手(shou)(shou)(shou)的(de)(de)事情，加(jia)重(zhong)(zhong)大(da)夫的(de)(de)承擔，也保(bao)障手(shou)(shou)(shou)術的(de)(de)平安與不變。從而(er)來自索(suo)尼集團跟哈(ha)佛大(da)學(xue)的(de)(de)研究者們（HiroyukiSuzuki跟RobertJ.Wood）基于折(zhe)紙布局研發(fa)了一(yi)款(kuan)超輕巧，高精(jing)度(du)的(de)(de)顯(xian)微(wei)(wei)外(wai)(wai)科手(shou)(shou)(shou)術機器(qi)(qi)(qi)人(ren)——mini-RCM，該項研討頒發(fa)于nature旗下(xia)新子刊《naturemachineintelligence》，并登上該期(qi)刊8月份封面。那款(kuan)手(shou)(shou)(shou)術機器(qi)(qi)(qi)人(ren)是(shi)專門為(wei)近程操縱的(de)(de)顯(xian)微(wei)(wei)手(shou)(shou)(shou)術而(er)計劃的(de)(de)，它僅僅重(zhong)(zhong)達2.4g，尺寸為(wei)5cmx7cmx5cm，由(you)三個自力驅(qu)動(dong)(dong)的(de)(de)微(wei)(wei)型直(zhi)(zhi)線驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)驅(qu)動(dong)(dong)，每(mei)一(yi)個直(zhi)(zhi)線驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)(qi)(qi)重(zhong)(zhong)量僅為(wei)0.41g。經剖析跟測試，該機器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)(de)地位(wei)精(jing)度(du)可(ke)以(yi)(yi)到達0.0264mm，負(fu)載才(cai)能約(yue)莫為(wei)27mN。經由(you)過程試驗(yan)測試展現了該機器(qi)(qi)(qi)人(ren)正在顯(xian)微(wei)(wei)外(wai)(wai)科手(shou)(shou)(shou)術范(fan)疇(chou)極(ji)大(da)的(de)(de)使用潛力。
1.基于折紙結(jie)構(gou)設計的顯微外科手術機器人mini-RCM
顯微(wei)外科(ke)手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)是(shi)(shi)指(zhi)應用顯微(wei)鏡等光學縮(suo)小(xiao)設備停止毫米，以至微(wei)米標準的(de)(de)(de)(de)外科(ke)手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)，例如縫合(he)血管，神(shen)經等。該項手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)關于(yu)大夫的(de)(de)(de)(de)技巧跟(gen)操縱(zong)(zong)要求十分之高，次要受限于(yu)人(ren)(ren)手(shou)(shou)(shou)正在手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)操作過(guo)程會(hui)(hui)不可(ke)避免的(de)(de)(de)(de)呈現極(ji)為(wei)稍微(wei)的(de)(de)(de)(de)震顫或許顫動，是(shi)(shi)以全世界只有少數(shu)外科(ke)醫生(sheng)會(hui)(hui)操縱(zong)(zong)。比(bi)擬于(yu)人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)肌(ji)肉，機(ji)器人(ren)(ren)有著更下的(de)(de)(de)(de)精度(du)跟(gen)穩定度(du)，加(jia)倍簡(jian)單操縱(zong)(zong)，是(shi)(shi)以，用于(yu)外科(ke)手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)機(ji)器人(ren)(ren)近幾年(nian)失(shi)掉了(le)大力發展(zhan)，特別(bie)是(shi)(shi)顯微(wei)外科(ke)手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)機(ji)器人(ren)(ren)，包羅眼(yan)科(ke)手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)跟(gen)神(shen)經手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)等。應用遠端(duan)操縱(zong)(zong)設備，縮(suo)小(xiao)機(ji)器人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)細小(xiao)舉(ju)(ju)措(cuo)到人(ren)(ren)手(shou)(shou)(shou)的(de)(de)(de)(de)較大舉(ju)(ju)措(cuo)，可(ke)以極(ji)大的(de)(de)(de)(de)進步手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)過(guo)程的(de)(de)(de)(de)精度(du)。近幾年(nian)科(ke)學家們(men)曾經研制了(le)各(ge)類(lei)手(shou)(shou)(shou)術(shu)(shu)(shu)(shu)機(ji)器人(ren)(ren)，但現階段(duan)來講它們(men)的(de)(de)(de)(de)體積皆較為(wei)重大，且根(gen)本(ben)沒有具有和婉(wan)性(xing)。
圖2.顯微外科(ke)手(shou)術(shu)機器人
分揀機器人哪個比較好他們正在論文(wen)中指出，要念(nian)研(yan)發一(yi)款微創手術(shu)機器人，有(you)三個因素須要思量：
1.存在遠端運動中間的布(bu)局；
2.尺寸小，進步便攜性，削減機器(qi)人(ren)跟手術器(qi)械和病(bing)人(ren)的打仗危險；
3.存在(zai)重力(li)賠償跟反向傳(chuan)動才(cai)能；
圖3.折紙布局開導的手(shou)術機(ji)器人(ren)mini-RCM
折紙結構設計(ji)(ji)(ji)可以(yi)應用輕(qing)浮而堅挺(ting)的的薄片(pian)資料(liao)構建三(san)維布局(ju)(ju)，知(zhi)足設計(ji)(ji)(ji)者的需要。Mini-RCM手(shou)術機器(qi)人開導自“平(ping)面書”折紙布局(ju)(ju)，基于微型電子機械體(ti)系(xi)的原理(li)計(ji)(ji)(ji)劃。據研究者稱，那款機器(qi)人僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)重達(da)2.4g，此(ci)中，機器(qi)人本體(ti)重力(li)約(yue)為(wei)1.2g，此(ci)外有三(san)個超微型的直線驅動器(qi)，每一個重量約(yue)為(wei)0.4g。實堪(kan)稱“輕(qing)如鴻毛”，喜(xi)好(hao)的話(hua)可以(yi)間(jian)接揣兜里帶走！
可(ke)以看到(dao)，經由過(guo)程跟真(zhen)人巨細的(de)(de)頭(tou)部模子比(bi)照，那款(kuan)手術(shu)機器人的(de)(de)尺寸細小(xiao)精巧，僅(jin)有(you)5cmx7cmx5cm見方。比(bi)擬于其他一些現存(cun)的(de)(de)手術(shu)機器人，尺寸真(zhen)的(de)(de)是(shi)mini-RCM的(de)(de)一大劣勢。
圖4.Mini-RCM的尺寸(cun)——跟頭部模子比照
該手術機器人由三個微型的(de)直線驅(qu)動(dong)器驅(qu)動(dong)，電源跟節制旌旗燈(deng)號(hao)經由過程遠(yuan)端設(she)備停止傳輸。
圖(tu)5.Mini-RCM的(de)關鍵(jian)部件(jian)
研究者展現的微型線性驅(qu)動器，尺寸僅為(wei)28mm×7mm×3.6mm，驅(qu)動原理為(wei)壓(ya)電陶瓷的粘滑效應，步長可以來(lai)到0.5mm，速(su)率可以來(lai)到15mm/s，最大(da)輸出力可達170mN。
圖6.微型直(zhi)線驅動器
那款(kuan)手術(shu)機器(qi)人這(zhe)么小，它究竟能做甚么呢？咱們趕(gan)緊賞識一下那款(kuan)手術(shu)機器(qi)人精(jing)巧的(de)(de)展現。正在本(ben)文(wen)的(de)(de)第二部門會向各人先容那款(kuan)機器(qi)人的(de)(de)計(ji)劃原理。此外，文(wen)章(zhang)開端(duan)附(fu)有完全的(de)(de)視頻(pin)跟(gen)論(lun)文(wen)信(xin)息，感興趣的(de)(de)讀者不要錯(cuo)過喔！
圖7.機器人(ren)繞著遠端扭轉中間運動
Mini-RCM的主體采取了并聯機(ji)(ji)構計(ji)劃(hua)，這(zhe)類機(ji)(ji)構可以繞著一(yi)個遠端固(gu)定點(dian)的停止扭轉，該固(gu)定點(dian)被稱為遠端運(yun)動(dong)中間(jian)。這(zhe)類結(jie)構設計(ji)被廣泛應用于微創手術機(ji)(ji)器人(ren)計(ji)劃(hua)，以制止機(ji)(ji)器人(ren)正在運(yun)動(dong)進程中對瘦語(yu)部(bu)位施加過(guo)多的力。
圖(tu)8.Mini-RCM手(shou)術機器人的運(yun)動規模(mo)展現(xian)
Mini-RCM的(de)另一(yi)個特色就是它的(de)加工(gong)跟(gen)制造比力便(bian)利，它的(de)布局本體開(kai)導自一(yi)個咱(zan)們(men)生(sheng)涯中時常(chang)見(jian)到的(de)折(zhe)紙布局，平(ping)面書。經由過程激光切割好所須要的(de)外(wai)形(xing)當(dang)前(qian)，機(ji)器人的(de)主(zhu)體部位便(bian)可以依據(ju)既定的(de)外(wai)形(xing)實現自立“拆(chai)卸”。
圖9.“平面書”本體自立拆卸
應(ying)用機器人停止顯微外(wai)科手(shou)術操縱有(you)一個益(yi)處(chu)就是，可以(yi)(yi)經由(you)過程電信(xin)號對機器人本身(shen)細小(xiao)的(de)(de)路程停止縮小(xiao)，例如(ru)將(jiang)1mm的(de)(de)機器人的(de)(de)運動縮小(xiao)到遙操縱設備上對應(ying)的(de)(de)1cm，這樣的(de)(de)話可以(yi)(yi)極大的(de)(de)降低(di)大夫(fu)手(shou)術的(de)(de)難(nan)度，晉(jin)升(sheng)手(shou)術的(de)(de)穩定性跟安全性。
圖10.機器人運動的(de)遙操(cao)縱
分揀機器人的使用注意事項研(yan)究(jiu)者(zhe)們展現了一(yi)組(zu)比照試(shi)驗，即用(yong)腳(jiao)跟(gen)蹤(zong)0.5mm邊長的(de)正方(fang)形軌(gui)跡(ji)，跟(gen)用(yong)mini-RCM繪制(zhi)不異(yi)軌(gui)跡(ji)。可以看到，用(yong)手間接跟(gen)蹤(zong)軌(gui)跡(ji)時，顫(zhan)動非常明顯，可是比擬來講用(yong)mini-RCM繪制(zhi)軌(gui)跡(ji)則要不變的(de)多。
圖11.繪0.5mm正方形——手動跟(gen)機器人(ren)操縱比照
視覺分揀機器人標準研(yan)究者展現了一個模(mo)擬的(de)顯微(wei)(wei)手術(shu)試驗，用0.2mm直徑的(de)硅膠管(guan)模(mo)擬人眼球(qiu)內“視網膜靜脈”，對其停止顯微(wei)(wei)插管(guan)試驗。正在顯微(wei)(wei)鏡下，經由過程裝置于(yu)mini-RCM末尾的(de)針尖可以較為簡(jian)單的(de)實現插管(guan)操縱。
圖12.顯微(wei)外科(ke)手術(shu)模(mo)擬——0.2mm插管試驗
2.計(ji)劃布局及其(qi)原(yuan)理
為(wei)了(le)實現遠端中間運(yun)動，大多數手術機器人的(de)(de)(de)采取并(bing)聯(lian)(lian)機構(gou)(gou)(gou)計劃(hua)(hua)或(huo)許是(shi)(shi)球樞紐串連機構(gou)(gou)(gou)計劃(hua)(hua)。并(bing)聯(lian)(lian)機構(gou)(gou)(gou)有著(zhu)較為(wei)普(pu)遍的(de)(de)(de)運(yun)動規模跟簡略間接(jie)的(de)(de)(de)計劃(hua)(hua)，可(ke)是(shi)(shi)并(bing)聯(lian)(lian)機構(gou)(gou)(gou)包括有良多的(de)(de)(de)節點，那使得傳統的(de)(de)(de)計劃(hua)(hua)難(nan)以制造小標準的(de)(de)(de)并(bing)聯(lian)(lian)機構(gou)(gou)(gou)。為(wei)了(le)辦理這一問題，研究(jiu)者(zhe)采取了(le)一種奇妙(miao)的(de)(de)(de)折(zhe)紙(zhi)布局：平面(mian)書布局，而且聯(lian)(lian)合了(le)微電機體系(xi)的(de)(de)(de)計劃(hua)(hua)跟制造方(fang)法。
圖(tu)13.機器(qi)人(ren)本(ben)體——折紙布局
Mini-RCM機器人(ren)的本體(ti)是由(you)十(shi)多(duo)層分歧資料(liao)疊加而成。經(jing)由(you)過程激(ji)光切割可以間接切除所須(xu)要(yao)的外形(xing)，而且(qie)將(jiang)分歧層的外形(xing)粘(zhan)連熱壓(ya)，便失掉了機器人(ren)的主(zhu)體(ti)部門。正(zheng)(zheng)在樞紐處采取有必然(ran)彈性的資料(liao)，正(zheng)(zheng)在支(zhi)架(jia)部門采取剛性的硬(ying)資料(liao)。
圖14.多層(ceng)資料熱壓成型(xing)
經(jing)由(you)過程研究者的奇妙的結構設計，mini-RCM機器人正(zheng)在空間中有三個自由(you)度(du)，此(ci)中包羅兩個扭(niu)轉自由(you)度(du)跟一個平移自由(you)度(du)。
圖15.機器布(bu)局簡圖
Mini-RCM機(ji)器人的運動規模展現以下圖，離別是沿著遠端(duan)扭轉中(zhong)心點的兩個標的目的的扭轉，和(he)平(ping)移(yi)運動。
圖(tu)16.運動(dong)規模(mo)示意圖(tu)
為(wei)了驅(qu)動(dong)(dong)如斯渺小(xiao)的折紙布(bu)局，關于(yu)驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)(qi)的計劃(hua)也要知足微型(xing)化。研(yan)究(jiu)者(zhe)們采取了一(yi)種(zhong)基于(yu)壓(ya)電陶瓷粘滑效應的直(zhi)線驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)(qi)，思量到(dao)它的運(yun)動(dong)(dong)范(fan)圍廣，和輸(shu)(shu)出力重比力下。這(zhe)類直(zhi)線驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)(qi)技巧絕對較(jiao)為(wei)成熟靠得住。經由過程試驗測試，研(yan)究(jiu)者(zhe)計劃(hua)的這(zhe)款(kuan)直(zhi)線驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)(qi)最大速率(lv)可以(yi)到(dao)達15mm/s擺布(bu)，最大輸(shu)(shu)出力約(yue)為(wei)150mN。
圖(tu)17.微型直線驅(qu)動器計劃原理
為了丈量直線驅(qu)動(dong)器的(de)位移(yi)信(xin)息，從而對(dui)其停止節制(zhi)，研究者采取了罕(han)見的(de)光電傳感(gan)器的(de)原理，即(ji)應用光電遮擋器來(lai)獲得滑塊的(de)地位信(xin)息，如許的(de)計劃丈量精度(du)較下，約莫為50微米(mi)，即(ji)0.05mm。
圖18.直線驅動器傳(chuan)感
研究者用一個(ge)正弦的輸入旌旗燈號去節制線性驅動(dong)器(qi)(qi)，下圖展現(xian)了(le)直(zhi)線驅動(dong)器(qi)(qi)的運(yun)動(dong)模(mo)塊以正弦波做往復運(yun)動(dong)。
圖19.正(zheng)弦曲線往復運動
直線導(dao)軌(gui)的運動的分辨(bian)率為0.5mm每步。
圖20.0.5mm步長運動
潮州分揀機器人經由(you)過程遙操縱的機構，必然(ran)水平可以縮小直線驅(qu)動器的運(yun)動節制，從而讓人手正在操縱機器人時間(jian)變(bian)得加倍簡單。
圖21.近程操縱導軌運動
正在(zai)后(hou)面展現過的(de)跟蹤0.5mm正方形軌(gui)跡的(de)試驗中，手動跟蹤軌(gui)跡的(de)偏(pian)差(cha)約莫(mo)降正在(zai)151.7微米擺布，用mini-RCM停止(zhi)軌(gui)跡跟蹤的(de)偏(pian)差(cha)僅(jin)為47微米，把(ba)手術操縱的(de)精確(que)度晉升了3倍多。
圖22.手動間接(jie)操縱(zong)跟機器人操縱(zong)比照
此外，mini-RCM的另一個劣勢就是當機器人的電力(li)出(chu)問題時(shi)，可以隨意馬虎的用腳移除，從而(er)制止手術不測關于病人形成的損傷。
圖23斷電手動移除機器人(ren)設備
3.總結與展望
圖24.模擬手術(shu)試(shi)驗展現
可(ke)以(yi)看(kan)到，比擬(ni)于傳統(tong)布局的(de)(de)手(shou)術(shu)(shu)機(ji)器人(ren)(ren)，折紙布局開(kai)導計劃的(de)(de)mini-RCM手(shou)術(shu)(shu)機(ji)器人(ren)(ren)有著尺寸小(xiao)，精度高的(de)(de)特色。經(jing)由過程一些遙操縱的(de)(de)試驗，mini-RCM展現了一些它正在顯(xian)微外科手(shou)術(shu)(shu)中使(shi)用的(de)(de)潛力。比擬(ni)于手(shou)動間接(jie)操縱手(shou)術(shu)(shu)，借助于手(shou)術(shu)(shu)機(ji)器人(ren)(ren)可(ke)以(yi)縮小(xiao)手(shou)術(shu)(shu)操縱的(de)(de)標(biao)準，從而實現高精度的(de)(de)操縱。
當然(ran)，作(zuo)為第一(yi)代折紙(zhi)顯微外科手(shou)術機器人(ren)，更多水平(ping)上仍是一(yi)個概念(nian)性的(de)展(zhan)現，若是要真正(zheng)投(tou)入實(shi)用，另有很長的(de)路要奔忙。研究者(zhe)指出，正(zheng)在將來，經由(you)過程結構設計的(de)優化，他們愿望(wang)可能進(jin)一(yi)步提高(gao)mini-RCM的(de)定位(wei)精確性跟輸(shu)出力，從而真正(zheng)可能把它推向顯微外科手(shou)術機器人(ren)市場(chang)。
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