陳根:摺紙啟示開發微型機械手,將提高遙控手術精度

文/陳根

在過去的半個世紀裡，微創腹腔鏡手術，即外科醫生使用工具和插入小切口的微型攝像機來進行手術，使得手術對病人和醫生都更加安全。隨著技術的進步，外科機器人越來越多的出現在手術室裡，外科機器人能夠協助同時操作多種工具，比傳統技術更精確、更靈活、更具控制性，從而進一步協助外科醫生。

然而，這些機器人系統非常龐大，通常佔據整個房間。現在，哈佛大學的研究人員開發的一種網球大小的微型機器人能夠在微觀尺度上處理精細的任務，結構簡單，便於製造。這項研究已發表在《自然機器智能》雜誌上。

研究小組製作了一個平行四邊形作為機器人的主體結構，然後製造了三個線性執行器（mini-LAs）來控制機器人的運動：一個平行於平行四邊形的底部，平行四邊形的底部用來提升和降低機器人，另一個垂直於旋轉它的平行四邊形，在平行四邊形的頂端有一個，它可以伸縮正在使用的工具。其結果是製造出一種比學術界先前開發的其他顯微外科設備小得多、重量輕得多的機器人。

這個以摺紙為靈感的微型機器人是用一種先進的製造技術組裝而成的，在這種技術中，材料層疊在一起，雷射切割形成平行四邊形。同時，微小的線性執行器由壓電陶瓷材料組成，壓電陶瓷材料在電場的作用下變形產生運動，同時還有光學傳感器，以確保運動部件沿著期望的路徑運動。

在測試中，研究小組讓機器人進行模擬遙控手術，模擬人手移動筆狀工具的動作。研究人員通過顯微鏡對人類進行觀察，並跟蹤一個比原子筆筆尖小的正方形，然後讓他們用機器人來追蹤正方形，然後讓他們重複這項任務。試驗證明，機器人的準確率提高了68%。

隨後，研究人員模擬了視網膜靜脈插管的手術過程，視網膜靜脈插管通常需要一名外科醫生在眼球後部的靜脈注射治療藥物。模仿過程中，研究小組使用了一根與這些細小靜脈大小差不多的矽膠管，這些細靜脈的厚度大約是人類頭髮的兩倍。機器人能夠用一根附在身上的針頭乾淨地刺穿管子，而不會造成任何不必要的損壞。

另外，這種小型機器人還易於安裝。現在，研究小組希望通過增加執行器的力和定位來進一步改進設計，使其更加強大和精確。在未來，我們或將看到這項工作將對外科機器人技術產生的影響。