用于内窥镜手术的更小 更智能 更柔软的机械臂

灵活的内窥镜可以穿过狭窄的通道来治疗难以到达的身体部位。然而，一旦它们到达目标，这些装置依靠刚性手术工具来操纵或移除组织。这些工具为外科医生提供了降低灵活性和感知能力，限制了内窥镜的当前治疗能力。

现在，来自哈佛大学哈佛大学工程与应用科学学院和威斯哈佛大学生物启发工程研究所的研究人员开发出一种用于内窥镜的混合刚性 - 软机械臂，具有集成的传感，灵活性和多自由度。这种手臂 - 使用基于弹出式制作和软平版印刷的制造范例构建 - 平放在内窥镜上，直到它到达所需的位置，然后弹出以协助外科手术。

该研究在Advanced Materials Technologies中有所描述。

软机器人对于外科应用非常有前景，因为它们可以匹配身体的刚度，这意味着它们不会意外地刺穿或撕裂组织。然而，在小规模时，软材料不能产生足够的力来执行手术任务。

“在毫米级别，软装置变得如此柔软，不会损伤组织，但也无法以任何有意义的方式操纵组织，”SEAS和Wyss研究所的博士后研究员兼合作者Tommaso Ranzani说。论文。“这限制了软微系统在执行治疗方面的应用。问题是，我们如何开发能够在不影响安全的情况下产生必要力量的软机器人。”

在生物学的启发下，该团队开发了一种混合模型，该模型使用了由柔软材料包围的刚性骨架。该制造方法借鉴了Robert River，Charles River工程与应用科学教授开发的以折纸为灵感的弹出式制作工作。

伍德合着了这篇论文，并且是Wyss Institute的核心教员。

以前的弹出式制造技术 - 例如与Robobees一起使用的技术 - 依赖于需要高电压或高温来操作的致动方法，这在直接操纵生物组织和器官的外科手术工具中是不安全的。

因此，该团队将软驱动器集成到弹出系统中。

“我们发现通过将软流体微致动器集成到刚性弹出结构中，我们可以创建柔软的弹出机制，从而在力输出和运动的可预测性和可控性方面提高执行器的性能，”希拉说。 Russo是SEAS和Wyss的博士后研究员，也是该论文的主要作者。“这项技术背后的理念基本上是通过将软机器人技术与折纸激发的刚性结构相结合来获得两全其美。使用这种制造方法，我们能够设计出一种可以在内窥镜导航到平面时平躺的设备。手术区域，当外科医生到达他们想要操作的区域时，他们可以部署一个可以安全有效地与组织相互作用的软系统。

软执行器由水供电。它们通过不可逆的化学键与刚性组件连接，无需任何粘合剂。该团队展示了简单电容感应的集成，可用于测量施加在组织上的力，并让外科医生了解手臂的位置以及手臂的移动方式。该制造方法允许批量制造，这对于医疗设备是重要的，并且允许更高水平的复杂性以用于更多的感测或致动。此外，所有使用的材料都是生物相容的。

手臂还配备了一个吸盘 - 灵感来自章鱼触手 - 可以安全地与组织相互作用。该团队离体测试该装置，模拟猪组织上复杂的内窥镜程序。手臂成功地安全地操纵了组织。

“将温和而有效的驱动无缝集成到毫米级可展开机构中的能力自然适合于许多外科手术，”Wood说。“我们专注于一些更具挑战性的内窥镜技术，其中工具灵活性和传感器反馈非常重要，并且可能在成功和失败之间产生差异。”

研究人员证明，该设备可以缩小到1毫米，这将使其可用于更严格的内窥镜手术，如肺部或大脑。

接下来，研究人员希望在体内测试该装置。

“我们的技术为设计和开发用于生物医学应用的更小，更智能，更柔软的机器人铺平了道路，”Russo说。

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