超輕便高精度！Nature子刊封面：哈佛等開發微型手術機器人

2020-09-10 機器人大講堂

導讀

顯微外科手術，例如眼外科手術和神經外科手術，需要極其精細和複雜的操作。科學家們希望用機器人來替代一部分人手的工作，從而克服人手在微小尺度操作的局限性，包括手部震顫和其他細微手部動作對手術造成的影響。近日，來自索尼集團和哈佛大學的研究者們 (Hiroyuki Suzuki和Robert J. Wood) 基於摺紙結構研發了一款超輕便，高精度的顯微外科手術機器人——mini-RCM，該項研究發表於nature旗下新子刊《nature machine intelligence（自然-機器智能）》，並登上該期刊8月份封面。這款手術機器人是專門為遠程操作的顯微手術而設計的，它僅僅重達2.4g，尺寸為5cm x 7cm x 5cm, 由三個獨立驅動的微型直線驅動器驅動，每一個直線驅動器重量僅為0.41g。經分析和測試，該機器人的位置精度可以達到0.0264mm，負載能力大約為27mN。通過實驗測試展示了該機器人在顯微外科手術領域巨大的應用潛力。

圖1. 僅僅重達2.4g的手術機器人mini-RCM

1. 基於摺紙結構設計的顯微外科手術機器人mini-RCM

顯微外科手術是指利用顯微鏡等光學放大設備進行毫米，甚至微米尺度的外科手術，例如縫合血管（0.3到0.8mm），神經等。該項手術對於醫生的技術和操作要求非常之高，主要受限於人手在手術操作過程會不可避免的出現極其輕微的震顫或者抖動，因此全世界只有少數外科醫生會操作。相比於人的肌肉，機器人有著更高的精度和穩定度，更加容易操作，因此，用於外科手術的機器人近幾年得到了大力發展，尤其是顯微外科手術機器人，包括眼科手術和神經手術等。利用遠端操作設備，放大機器人的微小動作到人手的較大動作，可以極大的提高手術過程的精度。近幾年科學家們已經研製了各種手術機器人，但目前來說它們的體積都較為龐大，且基本不具備柔順性。

圖2. 顯微外科手術機器人

近日，來自索尼集團和哈佛大學（RobertJ. Wood）的研究者們提出了一款新型的，由摺紙結構啟發的微型手術機器人，mini-RCM，並將研究成果整理發表於nature旗下新的子刊《nature machine intelligence（自然-機器智能）》上。（Robert J. Wood是哈佛大學的教授，專門負責研發微型機器人，他的團隊已經在science或者nature正刊和子刊上發表多篇論文，文末附有他領導的實驗室網站）。

他們在論文中指出，要想研發一款微創手術機器人，有三個要素需要考慮：

1. 具有遠端運動中心（RCM）的結構；

2. 尺寸小，提高便攜性，減少機器人和手術器械以及病人的接觸風險；

3. 具有重力補償和反向傳動能力；

圖3. 摺紙結構啟發的手術機器人mini-RCM

摺紙結構設計可以利用輕薄而堅硬的的薄片材料構建三維結構，滿足設計者的需求。Mini-RCM手術機器人啟發自「立體書」摺紙結構，基於微型電子機械系統（MEMS）的原理設計。據研究者稱，這款機器人僅僅重達2.4g，其中，機器人本體（連杆結構）重力約為1.2g，另外有三個超微型的直線驅動器，每個重量約為0.4g。真可謂「輕如鴻毛」，喜歡的話可以直接揣兜裡帶走！

可以看到，通過和真人大小的頭部模型對比，這款手術機器人的尺寸微小精妙，僅有5cm x 7cm x 5cm見方。相比於其他一些現存的手術機器人，尺寸真的是mini-RCM的一大優勢。

圖4.Mini-RCM的尺寸——和頭部模型對比

該手術機器人由三個微型的直線驅動器驅動，電源和控制信號通過遠端設備進行傳輸。

圖5. Mini-RCM的關鍵部件

研究者展示的微型線性驅動器，尺寸僅為28 mm × 7 mm × 3.6 mm，驅動原理為壓電陶瓷的粘滑效應，步長可以去到0.5mm，速度可以去到15mm/s，最大輸出力可達170mN。

圖6. 微型直線驅動器

這款手術機器人這麼小，它到底能做什麼呢？我們趕快欣賞一下這款手術機器人精妙的展示。在本文的第二部分會向大家介紹這款機器人的設計原理。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過喔！

圖7. 機器人繞著遠端旋轉中心（RCM）運動

Mini-RCM的主體採用了並聯機構設計，這種機構可以繞著一個遠端固定點的進行旋轉，該固定點被稱為遠端運動中心(RCM)。這種結構設計被廣泛應用於微創手術機器人設計，以避免機器人在運動過程中對切口部位施加過多的力。

圖8. Mini-RCM手術機器人的運動範圍展示

Mini-RCM的另一個特點就是它的加工和製造比較方便，它的結構本體啟發自一個我們生活中經常見到的摺紙結構，立體書（pop-up book）。通過雷射切割好所需要的形狀以後，機器人的主體部位就可以根據既定的形狀實現自主「裝配」。

圖9. 「立體書」本體自主裝配

利用機器人進行顯微外科手術操作有一個好處就是，可以通過電信號對機器人本身微小的行程進行放大，例如將1mm的機器人的運動放大到遙操作設備上對應的1cm，這樣的話可以極大的降低醫生手術的難度，提升手術的穩定性和安全性。

圖10.機器人運動的遙操作

研究者們展示了一組對比實驗，即用手跟蹤0.5mm邊長的正方形軌跡，和用mini-RCM繪製相同軌跡。可以看到，用手直接跟蹤軌跡時，抖動非常明顯，但是相比來說用mini-RCM繪製軌跡則要穩定的多。

圖11.畫0.5mm正方形——手動和機器人操作對比

研究者展示了一個模擬的顯微手術實驗，用0.2mm直徑的矽膠管模擬人眼球內「視網膜靜脈」，對其進行顯微插管實驗。在顯微鏡下，通過安裝於mini-RCM末端的針尖可以較為容易的實現插管操作。

圖12.顯微外科手術模擬——0.2mm插管實驗

2. 設計結構及其原理

為了實現遠端中心運動（RCM），大多數手術機器人的採用並聯機構設計或者是球關節串聯機構設計。並聯機構有著較為廣泛的運動範圍和簡單直接的設計，但是並聯機構包含有很多的節點，這使得傳統的設計難以製造小尺度的並聯機構。為了解決這一問題，研究者採用了一種巧妙的摺紙結構：立體書結構（pop-up book），並且結合了微機電系統（MEMS）的設計和製造方式。

圖13.機器人本體——摺紙結構

Mini-RCM機器人的本體是由十多層不同材料疊加而成。通過雷射切割可以直接切除所需要的形狀，並且將不同層的形狀粘連熱壓，就得到了機器人的主體部分。在關節處採用有一定彈性的材料（例如聚醯亞胺），在支架部分採用剛性的硬材料（例如碳纖維）。

圖14.多層材料熱壓成型

通過研究者的巧妙的結構設計，mini-RCM機器人在空間中有三個自由度，其中包括兩個旋轉自由度和一個平移自由度。

圖15.機械結構簡圖

Mini-RCM機器人的運動範圍展示如下圖，分別是沿著遠端旋轉中心點的兩個方向的旋轉，以及平移運動。

圖16.運動範圍示意圖

為了驅動如此細小的摺紙結構，對於驅動器的設計也要滿足微型化。研究者們採用了一種基於壓電陶瓷粘滑效應（慣性效應）的直線驅動器，考慮到它的運動範圍廣，以及輸出力重比較高。這種直線驅動器技術相對較為成熟可靠。通過實驗測試，研究者設計的這款直線驅動器最大速度可以達到15mm/s左右，最大輸出力約為150mN。

圖17.微型直線驅動器設計原理

為了測量直線驅動器的位移信息，從而對其進行控制，研究者採用了常見的光電傳感器的原理，即利用光電遮擋器來獲取滑塊的位置信息，這樣的設計測量精度較高，大約為50微米，即0.05mm。

圖18.直線驅動器傳感

研究者用一個正弦的輸入信號來控制線性驅動器，下圖展示了直線驅動器的運動模塊以正弦波做往復運動。

圖19.正弦曲線往復運動

直線導軌的運動的解析度（步長）為0.5mm每步。

圖20.0.5mm步長運動

通過遙操作的機構，一定程度可以放大直線驅動器的運動控制，從而讓人手在操作機器人時候變得更加容易。

圖21.遠程操作導軌運動

在前面展示過的跟蹤0.5mm正方形軌跡的實驗中，手動跟蹤軌跡的誤差大約落在151.7微米左右，用mini-RCM進行軌跡跟蹤的誤差僅為47微米，把手術操作的精確度提升了3倍多。

圖22.手動直接操作和機器人操作對比

另外，mini-RCM的另一個優勢就是當機器人的電力出問題時，可以輕易的用手移除，從而避免手術意外對於病人造成的傷害。

圖23 斷電手動移除機器人設備

3. 總結與展望

圖24.模擬手術實驗展示

可以看到，相比於傳統結構的手術機器人，摺紙結構啟發設計的mini-RCM手術機器人有著尺寸小，精度高的特點。通過一些遙操作的實驗，mini-RCM展示了一些它在顯微外科手術中應用的潛力。相比於手動直接操作手術，藉助於手術機器人可以放大手術操作的尺度，從而實現高精度的操作。

當然，作為第一代摺紙顯微外科手術機器人，更多程度上還是一個概念性的展示，如果要真正投入實用，還有很長的路要走。研究者指出，在未來，通過結構設計的優化，他們希望能夠進一步提高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機器人市場。

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