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Wyss Institute开发的mini

2020/9/7 21:44:04

机器人辅助可以为外科医生提供更高的精度且提升对微创手术的控制。但是由于系统本身通常很大,占据了很大的空间,可能比操作它们的患者剖解结构更大。Wyss生物启发工程研究所今天宣布,它已经与哈佛大学和SONY企业合作制造了mini-RCM,这是一种外科手术机器人,它的大小只有网球,重仅相当于一分钱。
Wyss Institute的副教授Robert Wood博士和索尼的机器人工程师Horoyuki Suzuki受到折纸的启发,他们创建了“微型远程运动中心操纵器”或微型RCM。伍德和铃木于2018年开始合作。
制造迷你RCM
根据Wyss Institute的说法,要手工大量生产折叠式机械手所需的微小,复杂的结构。伍德和铃木使用了伍德实验室开发的弹出式MEMS方法。它应用了从印刷电路板(PCB)制造到微机电系统(MEMS)的技术。将材料沉积在粘合的层中,然后弹出三维形状的图案进行激光切割。
研究人员为机器人的基座创建了平行四边形,然后由三个微型线性致动器(mini-LA)对其进行控制。微型LA围绕压电陶瓷材料构建,压电陶瓷材料在施加电场时会变形。Wyss Institute表示,这种形状变化将mini-LA的“行进器单元”像火车一样沿其轨道推向其“轨道单元”,并且线性运动使机器人运动。
Suzuki博士说:“大家使用氧化铝和复合预浸料或碳纤维沉积物以及PZT(锆钛酸铅)。” “导轨单元,包括用于位移感应的狭缝图案,是由一块0.38毫米厚的氧化铝板制成的。”
他告诉《机器人报告》:“使用氧化铝是因为大家需要在激光加工过程中保持表面平坦。” “由于其高刚度和低质量,预浸料用于mini-LA。”
一个mini-LA平行于形状的底部以升高和降低形状,而另一个mini-LA垂直于平行四边形以使其旋转。尖端的第三个致动器使工具伸出和缩回。伍德和铃木声称,这种机器人比迄今为止学者们开发的其他显微外科手术设备更小,更轻。
由于压电材料会固有地变形,因此该团队还将基于LED的光学传感器集成到mini-LA中,以检测和纠正与所需运动的任何偏差,例如由手震引起的偏差。
该机器人是使用弹出式MEMS方法设计的,该方法可将材料沉积在板材中并激光切割,以使它们弹出为所需的形状。
用Phantom Omni测试稳定性
为了模拟遥控手术的情况,研究人员使用了Phantom Omni设备,该设备在响应用户手动控制笔状工具的情况下操纵mini-RCM。第一次测试评估了人类通过显微镜观察并用手工或使用微型RCM追踪比圆珠笔尖端小的正方形的能力。
Suzuki表示:“ Phantom Omni设备-一种市售的界面工具-不会提高人类的准确性。” 几何比例缩放可以弥补由于手部震颤减少造成的人为误差。手部震颤的量约为156μm[微米]。”
与手动操作相比,mini-RCM测试将错误减少了68%。该团队说,这在外科手术过程中处理小结构和脆弱组织时尤其重要。
然后,研究人员创建了一个模拟程序,称为视网膜静脉插管手术,在该模拟手术中,外科医生必须小心地将针头穿过眼睛,将治疗剂注入眼球后部的细小静脉中。他们制造了一个与视网膜静脉大小相同的硅胶管,大约是人发厚度的两倍,并成功地用连接在mini-RCM末端的针刺破了硅胶,而不会造成局部损伤或破坏。
铃木说,26.4μm的位置精度类似于视网膜手术机器人的基准。

迷你RCM使手术更便携
威斯研究所说,迷你RCM不仅可以帮助外科医生进行精细的操作,而且其小巧的尺寸使其在出现并发症或停电时也很容易安装和拆卸。
铃木说:“大家相信安装的容易程度通常与紧凑性和重量有关。” “包括[Intuitive Surgical的] da Vinci在内的常规外科手术机器人非常大且笨重,这使得在小型手术室中的安装变得很复杂。”
伍德说:“弹出式MEMS方法在许多需要小型但复杂的机器的领域中被证明是一种有价值的方法,非常高兴地知道它有潜力提高手术的安全性和效率,以使手术变得更加安全。对患者的侵入性更小。”他还是哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的查尔斯河工程与应用科学教授。
研究人员在《自然机器智能》上发表了他们的研究结果。

未来的合作

研究人员感到遗憾的是,他们计划增加机器人实行器的力,以覆盖操作过程中遇到的最大力,并提高其定位精度。他们还在研究在加工过程中使用具有较短脉冲的激光,以提高mini-LA的感测分辨率。
铃木说,可能需要三到五年的时间才能实现部队和位置的改善。他说:“大家认为,需要优化的计算仿真来提高性能,这将需要一到两年的时间。” “随后,必须进行制造,这需要一到两年的时间。这个估计相当粗糙。”
Suzuki指出,此外,碳复合材料框架可以使mini-RCM与磁共振成像(MRI)配合使用。流道单元的铁磁部分可以用钛合金代替。mini-RCM机器人也足够小,可以放入MRI系统的狭窄空间内。
“伍德实验室和SONY之间的这种独特合作说明了将现实世界中的行业重点与学术创新精神相结合所能带来的好处,大家期待着这项工作对近期的外科手术机器人产生影响。未来,说:” 威斯研究所创始主任唐Ingber,不仅是一位医学博士而且是SEAS的生物工程教授。
伍德告诉《机器人报告》:“这只是初步研究,希翼在SONY和哈佛之间以及与临床医生之间建立进一步的合作,最终目标是将来提供更有效的手术工具? 。”


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