光纤机械臂打造0.2微米微创手术刀:液压驱动,磁场控制位置,早期诊断治疗新曙光

微创外科手术越来越多地用于靶向小病变,并且对微型医疗工具的需求不断增长。靶向微创手术逐步兴起,随之而来的,是对各种高端微创手术刀的需求。

来源 / Science Robotics 编译 / 张大笔茹、楚阳、牛婉扬 出品 / 公众号“大数据文摘”(ID:BigDataDigest)理论派经授权发布

当下,精致的机械式手术刀已不能满足需求,将智能元素通过传感器和微型机械手注入手术器械是大势所趋。Science Robotics近日介绍了一款相关领域的最新进展——一款尺寸仅有2x3x0.2mm微型机械臂来制备功能纤维。

机械臂的位置由永磁体通过改变磁场强度和磁化方向来控制,其上下臂形如一个镊子可以实现抓取和投放。

微创手术可以实现早期诊断和早期治疗,该领域的发展也因此而举足轻重。医疗机器人逐步获得临床认可,在未来,医疗机器人还会越来越智能化。

最新研发的光纤机器人集腔内成像、传感和微操作于一根光纤中,光纤的尖端具有微钳结构以实现腔内操作,通过液压装置利用毛细管原理实现驱动的同时还可以实现药物的靶向输送。

光纤机器人的实现

光纤是常用的柔性基板,其上可以集成多个传感器,但集成工艺却因光纤的细长柔软而相当复杂。为此,要先将传感器刻蚀到芯片上,然后用特殊的工艺将其转移到光纤上。研发光纤机器人目前有干转移和湿转移两种方法。

所谓干转移法,就像用胶带把传感器粘起来然后再贴到基板上一样,这种方法有较高的操作精度,受外界扰动小。湿转移法需要将刻蚀了传感器的芯片和光纤基板一同泡在特制液体中,利用特殊工艺使传感器自芯片游到基板上,此法的定位精度因受到液体流动干扰而较差,且工艺较为复杂,目前还未大量使用。

但在特定情况下,如在导管表面镶嵌力传感器,则湿转移法可使传感器和导管表面产生更好的贴合性而技高一筹,虽然它仍然面临着精度低的缺点。

湿转移法所面临的问题可利用微型机器人来补偿。微型机械臂可手动调整湿法转移过程中传感器的定位精度,因此,机械臂的操作空间是平方厘米级别的,其所要操作的“工件”是亚微米级别的,而“工况”是处在液面上的,这样做是为了最大限度的保持精度和减少阻力。

可以利用的因素还有很多。比如,光,利用光学捕获可以实现机械臂的精准定位,然而,光镊由于其只能产生pN范围的力而很难实现传感器的抓取;或者,磁,电磁转向可以产生更大的力;微型火箭可产生喷射的气泡,将机械臂的位置精度提高到气泡级别,云云。各种微型装置层出不穷。这些微型机械臂只需和普通精度的工作台合作,就可以改善湿转移法的精度。而且,实际操作时,一个机械臂和另一个机械臂更配。

机械臂的方向由磁场控制,控制磁体通过改变机械臂的磁化方向来实现其定位。

控制磁体还可以通过其自身的运动来控制机械臂的平移和旋转以及一对机械臂之间的距离。

一对机械臂可以以320度几乎全部覆盖光纤表面,定位精度达到5μm和0.4°,该方法解决了湿转移方法缺乏的精确性,从而大大提高了其适用性,为将微型设备运用到手术微型工具上带来了希望,同时也为微创手术的进步带来了曙光。

相关报道:https://robotics.sciencemag.org/content/4/34/eaax8336

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