眾所周知，顯微外科手術(shù)往往伴隨著極大的風(fēng)險(xiǎn)，需要醫(yī)生極其精細(xì)且復(fù)雜的操作，如此還是難免意外的發(fā)生。為了避免出現(xiàn)更多的意外，科學(xué)家們希望可以制造出機(jī)器人來(lái)替代一部分需要人手的工作，減輕醫(yī)生的負(fù)擔(dān)，也保證手術(shù)的安全與穩(wěn)定。從而來(lái)自索尼集團(tuán)和哈佛大學(xué)的研究者們 （Hiroyuki Suzuki和Robert J. Wood） 基于折紙結(jié)構(gòu)研發(fā)了一款超輕便，高精度的顯微外科手術(shù)機(jī)器人——mini-RCM，該項(xiàng)研究發(fā)表于nature旗下新子刊《nature machine intelligence（自然-機(jī)器智能）》，并登上該期刊8月份封面。這款手術(shù)機(jī)器人是專門為遠(yuǎn)程操作的顯微手術(shù)而設(shè)計(jì)的，它僅僅重達(dá)2.4g，尺寸為5cm x 7cm x 5cm， 由三個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的微型直線驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，每一個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器重量?jī)H為0.41g。經(jīng)分析和測(cè)試，該機(jī)器人的位置精度可以達(dá)到0.0264mm，負(fù)載能力大約為27mN。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試展示了該機(jī)器人在顯微外科手術(shù)領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力。

1. 基于折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的顯微外科手術(shù)機(jī)器人mini-RCM

顯微外科手術(shù)是指利用顯微鏡等光學(xué)放大設(shè)備進(jìn)行毫米，甚至微米尺度的外科手術(shù)，例如縫合血管（0.3到0.8mm），神經(jīng)等。該項(xiàng)手術(shù)對(duì)于醫(yī)生的技術(shù)和操作要求非常之高，主要受限于人手在手術(shù)操作過(guò)程會(huì)不可避免的出現(xiàn)極其輕微的震顫或者抖動(dòng)，因此全世界只有少數(shù)外科醫(yī)生會(huì)操作。相比于人的肌肉，機(jī)器人有著更高的精度和穩(wěn)定度，更加容易操作，因此，用于外科手術(shù)的機(jī)器人近幾年得到了大力發(fā)展，尤其是顯微外科手術(shù)機(jī)器人，包括眼科手術(shù)和神經(jīng)手術(shù)等。利用遠(yuǎn)端操作設(shè)備，放大機(jī)器人的微小動(dòng)作到人手的較大動(dòng)作，可以極大的提高手術(shù)過(guò)程的精度。近幾年科學(xué)家們已經(jīng)研制了各種手術(shù)機(jī)器人，但目前來(lái)說(shuō)它們的體積都較為龐大，且基本不具備柔順性。

圖2. 顯微外科手術(shù)機(jī)器人

近日，來(lái)自索尼集團(tuán)和哈佛大學(xué)（RobertJ. Wood）的研究者們提出了一款新型的，由折紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)的微型手術(shù)機(jī)器人，mini-RCM，并將研究成果整理發(fā)表于nature旗下新的子刊《nature machine intelligence（自然-機(jī)器智能）》上。（Robert J. Wood是哈佛大學(xué)的教授，專門負(fù)責(zé)研發(fā)微型機(jī)器人，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在science或者nature正刊和子刊上發(fā)表多篇論文，文末附有他領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站）。

他們?cè)谡撐闹兄赋?，要想研發(fā)一款微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，有三個(gè)要素需要考慮：

1. 具有遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)中心（RCM）的結(jié)構(gòu)；

2. 尺寸小，提高便攜性，減少機(jī)器人和手術(shù)器械以及病人的接觸風(fēng)險(xiǎn)；

3. 具有重力補(bǔ)償和反向傳動(dòng)能力；

圖3. 折紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)的手術(shù)機(jī)器人mini-RCM

折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以利用輕薄而堅(jiān)硬的的薄片材料構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計(jì)者的需求。Mini-RCM手術(shù)機(jī)器人啟發(fā)自“立體書”折紙結(jié)構(gòu)，基于微型電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的原理設(shè)計(jì)。據(jù)研究者稱，這款機(jī)器人僅僅重達(dá)2.4g，其中，機(jī)器人本體（連桿結(jié)構(gòu)）重力約為1.2g，另外有三個(gè)超微型的直線驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)重量約為0.4g。真可謂“輕如鴻毛”，喜歡的話可以直接揣兜里帶走！

可以看到，通過(guò)和真人大小的頭部模型對(duì)比，這款手術(shù)機(jī)器人的尺寸微小精妙，僅有5cm x 7cm x 5cm見(jiàn)方。相比于其他一些現(xiàn)存的手術(shù)機(jī)器人，尺寸真的是mini-RCM的一大優(yōu)勢(shì)。

圖4.Mini-RCM的尺寸——和頭部模型對(duì)比

該手術(shù)機(jī)器人由三個(gè)微型的直線驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，電源和控制信號(hào)通過(guò)遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行傳輸。

圖5. Mini-RCM的關(guān)鍵部件

研究者展示的微型線性驅(qū)動(dòng)器，尺寸僅為28 mm × 7 mm × 3.6 mm，驅(qū)動(dòng)原理為壓電陶瓷的粘滑效應(yīng)，步長(zhǎng)可以去到0.5mm，速度可以去到15mm/s，最大輸出力可達(dá)170mN。

圖6. 微型直線驅(qū)動(dòng)器

這款手術(shù)機(jī)器人這么小，它到底能做什么呢？我們趕快欣賞一下這款手術(shù)機(jī)器人精妙的展示。在本文的第二部分會(huì)向大家介紹這款機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理。另外，文章末尾附有完整的視頻和論文信息，感興趣的讀者不要錯(cuò)過(guò)喔！

圖7. 機(jī)器人繞著遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)中心（RCM）運(yùn)動(dòng)

Mini-RCM的主體采用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種機(jī)構(gòu)可以繞著一個(gè)遠(yuǎn)端固定點(diǎn)的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，該固定點(diǎn)被稱為遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)中心（RCM）。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)，以避免機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)切口部位施加過(guò)多的力。

圖8. Mini-RCM手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍展示

Mini-RCM的另一個(gè)特點(diǎn)就是它的加工和制造比較方便，它的結(jié)構(gòu)本體啟發(fā)自一個(gè)我們生活中經(jīng)常見(jiàn)到的折紙結(jié)構(gòu)，立體書（pop-up book）。通過(guò)激光切割好所需要的形狀以后，機(jī)器人的主體部位就可以根據(jù)既定的形狀實(shí)現(xiàn)自主“裝配”。

圖9. “立體書”本體自主裝配

利用機(jī)器人進(jìn)行顯微外科手術(shù)操作有一個(gè)好處就是，可以通過(guò)電信號(hào)對(duì)機(jī)器人本身微小的行程進(jìn)行放大，例如將1mm的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)放大到遙操作設(shè)備上對(duì)應(yīng)的1cm，這樣的話可以極大的降低醫(yī)生手術(shù)的難度，提升手術(shù)的穩(wěn)定性和安全性。

圖10.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的遙操作

研究者們展示了一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即用手跟蹤0.5mm邊長(zhǎng)的正方形軌跡，和用mini-RCM繪制相同軌跡?？梢钥吹?，用手直接跟蹤軌跡時(shí)，抖動(dòng)非常明顯，但是相比來(lái)說(shuō)用mini-RCM繪制軌跡則要穩(wěn)定的多。

圖11.畫0.5mm正方形——手動(dòng)和機(jī)器人操作對(duì)比

研究者展示了一個(gè)模擬的顯微手術(shù)實(shí)驗(yàn)，用0.2mm直徑的硅膠管模擬人眼球內(nèi)“視網(wǎng)膜靜脈”，對(duì)其進(jìn)行顯微插管實(shí)驗(yàn)。在顯微鏡下，通過(guò)安裝于mini-RCM末端的針尖可以較為容易的實(shí)現(xiàn)插管操作。

圖12.顯微外科手術(shù)模擬——0.2mm插管實(shí)驗(yàn)

2. 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其原理

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端中心運(yùn)動(dòng)（RCM），大多數(shù)手術(shù)機(jī)器人的采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)或者是球關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)有著較為廣泛的運(yùn)動(dòng)范圍和簡(jiǎn)單直接的設(shè)計(jì)，但是并聯(lián)機(jī)構(gòu)包含有很多的節(jié)點(diǎn)，這使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)難以制造小尺度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。為了解決這一問(wèn)題，研究者采用了一種巧妙的折紙結(jié)構(gòu)：立體書結(jié)構(gòu)（pop-up book），并且結(jié)合了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的設(shè)計(jì)和制造方式。

圖13.機(jī)器人本體——折紙結(jié)構(gòu)

Mini-RCM機(jī)器人的本體是由十多層不同材料疊加而成。通過(guò)激光切割可以直接切除所需要的形狀，并且將不同層的形狀粘連熱壓，就得到了機(jī)器人的主體部分。在關(guān)節(jié)處采用有一定彈性的材料（例如聚酰亞胺），在支架部分采用剛性的硬材料（例如碳纖維）。

圖14.多層材料熱壓成型

通過(guò)研究者的巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，mini-RCM機(jī)器人在空間中有三個(gè)自由度，其中包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)平移自由度。

圖15.機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

Mini-RCM機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍展示如下圖，分別是沿著遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，以及平移運(yùn)動(dòng)。

圖16.運(yùn)動(dòng)范圍示意圖

為了驅(qū)動(dòng)如此細(xì)小的折紙結(jié)構(gòu)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)也要滿足微型化。研究者們采用了一種基于壓電陶瓷粘滑效應(yīng)（慣性效應(yīng)）的直線驅(qū)動(dòng)器，考慮到它的運(yùn)動(dòng)范圍廣，以及輸出力重比較高。這種直線驅(qū)動(dòng)器技術(shù)相對(duì)較為成熟可靠。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究者設(shè)計(jì)的這款直線驅(qū)動(dòng)器最大速度可以達(dá)到15mm/s左右，最大輸出力約為150mN。

圖17.微型直線驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)原理

為了測(cè)量直線驅(qū)動(dòng)器的位移信息，從而對(duì)其進(jìn)行控制，研究者采用了常見(jiàn)的光電傳感器的原理，即利用光電遮擋器來(lái)獲取滑塊的位置信息，這樣的設(shè)計(jì)測(cè)量精度較高，大約為50微米，即0.05mm。

圖18.直線驅(qū)動(dòng)器傳感

研究者用一個(gè)正弦的輸入信號(hào)來(lái)控制線性驅(qū)動(dòng)器，下圖展示了直線驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)模塊以正弦波做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖19.正弦曲線往復(fù)運(yùn)動(dòng)

直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)的分辨率（步長(zhǎng)）為0.5mm每步。

圖20.0.5mm步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)

通過(guò)遙操作的機(jī)構(gòu)，一定程度可以放大直線驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制，從而讓人手在操作機(jī)器人時(shí)候變得更加容易。

圖21.遠(yuǎn)程操作導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)

在前面展示過(guò)的跟蹤0.5mm正方形軌跡的實(shí)驗(yàn)中，手動(dòng)跟蹤軌跡的誤差大約落在151.7微米左右，用mini-RCM進(jìn)行軌跡跟蹤的誤差僅為47微米，把手術(shù)操作的精確度提升了3倍多。

圖22.手動(dòng)直接操作和機(jī)器人操作對(duì)比

另外，mini-RCM的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是當(dāng)機(jī)器人的電力出問(wèn)題時(shí)，可以輕易的用手移除，從而避免手術(shù)意外對(duì)于病人造成的傷害。

圖23 斷電手動(dòng)移除機(jī)器人設(shè)備

3. 總結(jié)與展望

圖24.模擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)展示

可以看到，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的手術(shù)機(jī)器人，折紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)設(shè)計(jì)的mini-RCM手術(shù)機(jī)器人有著尺寸小，精度高的特點(diǎn)。通過(guò)一些遙操作的實(shí)驗(yàn)，mini-RCM展示了一些它在顯微外科手術(shù)中應(yīng)用的潛力。相比于手動(dòng)直接操作手術(shù)，借助于手術(shù)機(jī)器人可以放大手術(shù)操作的尺度，從而實(shí)現(xiàn)高精度的操作。

當(dāng)然，作為第一代折紙顯微外科手術(shù)機(jī)器人，更多程度上還是一個(gè)概念性的展示，如果要真正投入實(shí)用，還有很長(zhǎng)的路要走。研究者指出，在未來(lái)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，他們希望能夠進(jìn)一步提高mini-RCM的定位精確性和輸出力，從而真正能夠把它推向顯微外科手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)。