哈佛大學團隊新近開發出一種微型外科機器人，它只有網球大小，僅有 1 枚硬幣的重量，但是它成功地完成了一項困難的模擬手術任務。

哈佛大學維斯研究所教授 Robert Wood 和索尼公司的機器人工程師 Hiroyuki Suzuki 合作，他們受折紙啟發，創造了一種新的微型運動中心遙控機械手，名為“mini-RCM”。這項研究極大地縮小了外科手術機器人的尺寸。

這項研究發表在最新一期的《自然 - 機器智能》（Nature Machine Intelligence）上。

腹腔鏡手術是指外科醫生將工具和微型攝像機通過小切口進入患者體內進行手術。

近年來，外科手術機器人開始在手術室應用，進一步幫助外科醫生，使他們能夠同時操作多個工具，而且比傳統手術更精確、更靈活、更容易控制。

然而，手術機器人的缺點也特別明顯，這些機器人控制系統非常大，控制工具可能比它們操作的精細組織和結構要大得多，通常會占據整個手術室。而這項新研究則有望解決這一痛點，將外科手術機器人的尺寸縮小到令人驚嘆的地步。

Suzuki 說：“在過去的幾年里，Wood 博士實驗室獨特的技術能力已經在微型機器人領域取得了許多令人印象深刻的發明。我相信，這有可能使醫療機械手領域取得突破。”2018 年，Suzuki 與 Wood 在哈佛 - 索尼的 mini-RCM 項目中開始合作。

Suzuki 和 Wood 使用彈出式微機電系統（pop-up MEMS）制造技術，在 Wood 的實驗室研制出了這種微型機器人。該技術將材料彼此疊層粘合在一起，然后按照特定的圖案進行激光切割，最后能 “彈出” 所需的三維形狀，就像兒童彈出式圖畫書一樣。這項技術極大地簡化了復雜結構的微型機器人的大規模生產，省去了費力的手工建造過程。

研究團隊創造的機器人主體結構是一個平行四邊形的形狀，使用三個線性致動器（mini-LAs）來控制機器人的運動：一個平行四邊形的底端的升降機構，一個垂直于平行四邊形的旋轉機構，還有一個是平行四邊形尖端的伸縮工具。這個機器人比之前學術界開發的其他顯微外科設備都更小更輕。

mini-LA 本身就是出色的微型原件，它由壓電陶瓷材料制成。當電場作用時，壓電陶瓷材料會改變形狀，然后變形推動 mini-LA 的 “運行單元” 沿著 “軌道” 移動，就像火車在鐵軌上一樣。微型機器人的移動就是通過這種線性運動來實現的。

由于壓電材料具有固有的變形，該團隊還將基于 led 的光學傳感器集成到 mini-LA 中，用來檢測和糾正任何偏離預期運動的偏差，例如由手抖動引起的偏差。

比外科醫生的手更穩定

為了模擬遠程手術的情況，研究小組將 mini-RCM 連接到了 Phantom Omni 設備上，該設備通過響應用戶手的動作來操縱 mini-RCM。

他們的第一項測試是在筆尖大小的地方，在顯微鏡下畫小正方形。研究人員分別用手動和使用 mini-RCM 兩種方式操作。結果顯示，mini-RCM 極大地提高了用戶的準確性，與手動操作相比，將錯誤減少了 68％。在人體細小結構的手術中，這種精度是特別重要的。

mini-RCM 在測試中獲得成功后，研究人員創建了一種名為視網膜靜脈插管的外科手術的模擬版本，在這種手術中，外科醫生必須小心地將一根針穿過眼睛，將治療藥物注入眼球后部的細靜脈中。他們制造了一個與視網膜靜脈大小相同的硅膠管（大約是人類頭發粗細的兩倍），并成功地用連接在 mini-RCM 末端的針刺穿了硅膠管，而不會造成局部損傷或破壞。

除了能有效地進行精細的手術操作之外，這款小巧的 mini-RCM 還提供了另一個重要的好處：它易于安裝和設置，而且在出現并發癥或停電的情況下，醫生可以手動輕易地將機器人從病人的身體上移開。

“在許多領域，尤其是需要小而復雜的機器的場景中，彈出式微機電系統制造方法是非常有價值的。它有可能提高手術的安全性和效率，”Wood 說。

應用未來可期

在 mini-RCM 真正準備好投入使用之前，可能還需要相當一段時間。現在，研究人員的目標是增大微型機器人執行機構的力的范圍，覆蓋在手術過程中所需的最大力，并提高其定位精度。他們還在研究在加工過程中使用脈沖較短的激光，提高 mini-LAs 的傳感分辨率。

維斯研究所創始董事 Don Ingber 說：“Wood 實驗室和索尼之間獨特的合作說明，將現實世界中的行業重點與學術創新精神相結合能帶來很大好處，我們期待著這項工作對近期的外科手術機器人產生影響。”
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