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香港城市大学:开发毫米级的软连续体机器人,可实现高精度操作


对于生物医学领域的多个应用场景(心血管手术、支气管手术等),小型软连续体机器人都展现了其巨大的应用潜力(图1a)。然而,现有的连续体机器人却在驱动选择方面经历相应的瓶颈期,其难以同时拥有小尺寸、柔顺驱动、大转角以及高精度操作等特性,因而在一定程度上限制了其在体内某些狭长受限环境下的广泛应用。而传统的加工制造方法不能很好的实现驱动方式综合性能的改善。

近日,香港城市大学生物医学工程系申亚京教授带领的研究团队开发了一款毫米级的软连续体机器人(图1),其在线控和磁场的混合驱动模式下同时拥有大转角和高精度操作能力。为了实现毫米级外形尺寸的混合驱动,该团队基于摩方精密(BMF)超高精度光固化3D打印机nanoArch P140打印出超薄的镂空型机器人骨架(长度30mm,外径3.0mm,壁厚300μm),并在薄壁上形成150μm的贯穿孔用于腱索的布置。此外,该团队通过在机器人骨架外表面涂覆铁磁弹性体薄层(100~150μm)来获得磁响应性能。所提出的混合驱动软连续体机器人能实现约100°的大角度导向以及高精度(静定位精度低至2μm,动态跟踪精度低至10μm)的微操作。该成果以“Millimeter-scale Soft ContinuumRobot for Large Angle and High Precision Manipulation by Hybrid Actuation”为题发表在Advanced Intelligent Systems上。

在该工作中,所研发的毫米级软连续体机器人整体示意如图1所示。图一b左上角展现了机器人在目标区域—狭长受限环境内的导向能力。其中,线控功能由两对拮抗型腱索的拉紧/放松策略来实现,而磁驱性能则来自于弹性表皮中定向排列的铁磁颗粒在外加磁场中受力/力矩导致的偏转。在微尺度3D打印技术的加持下,该连续体机器人拥有较大的中空腔体,这一特性为后续多种微创手术器械的携带创造了条件。

图1. 毫米尺度软连续体机器人整体示意图。先使用摩方精密(BMF)nanoArch P140打印出超薄的镂空型机器人骨架(长度30mm,外径3.0mm,壁厚300μm),并在薄壁上形成150μm的贯穿孔用于腱索的布置;再通过在机器人骨架外表面涂覆铁磁弹性体薄层(100~150μm)来获得磁响应性能。

该混合驱动机器人的大转角导向能力及高精度操作性能验证如图2所示。线驱模式下,软连续体机器人成功在具有多个三维分叉的狭长受限管道内实现了导向行进(如图2a,b)。而在外加磁场的驱动下,该机器人展现了极好的动态跟踪效果(如图2c,d)。

图2. 大转角导向能力及高精度操作性能验证

受益于线驱模式的大转角导向以及较好的抵抗外力的能力,该软连续体机器人能够在狭窄血管模型中实现病理区域的搜寻(如图3a)。将所携带的微创手术工具递送至前端之后(图3b),该机器人可在外磁场的驱动下实现高精度的微操作(图3c),并进一步完成例如微注射和微切除(图3d)等工作。此外,磁驱模式下,所研发的毫米级软连续体机器人通过携带鼻咽拭子展现了鼻咽采样的现实功能(如图3e,f),其为当前新冠疫情的采样检测提供了新的思路。

图3. 生物医学应用场景

总而言之,该工作中所提出的结合了微尺度3D打印技术而得到的毫米级软连续体机器人同时具备小尺寸、柔顺驱动、大转角、高精度等特性,其在狭长受限环境下展现了优异的运动操作性能。与此同时,此项工作也为连续体机器人的小型化设计提供了一种新的方法,并将在生物医学工程领域展现更大的应用潜力。


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