可靠    创新    同行    发展

毫米级软连续体机器人在经腔内手术中具有安全性和适应性，因其 passivity compliance 特性。然而，这一特点需要与周围腔道进行交互，可能导致潜在的医疗风险和受限的移动能力。本文介绍了一种毫米级连续体机器人，实现顶端延伸并保持结构稳定性。利用相变组件，该机器人通过可编程磁场准确执行基于尖端的拉伸循环。每个运动周期都具有固体般的支撑骨架以保持稳定性，并液态组件以推进前进，从而使得机器人能够自主成形而无需依赖环境交互。结合临床成像技术展示了该机器人穿越曲折脆弱的腔道并运输微型外科工具的能力。当到达更大解剖空间时（如胃），它可以变形为功能三维结构作为外科工具或传感单元，并克服最初狭窄通道的限制。通过这种设计理念，我们预期毫米级连续体机器人之间将提升安全性、多功能性和协同能力，在经皮机器人手术领域开辟新局面。

人体消化、呼吸和泌尿器官或血管的腔道可用于输送空气、血液、体液、食物和其他物质，同时也可能允许对各种目标组织进行侵入性访问。利用腔道的通畅性，提出了经腔道手术的方案，通过更少侵入性的操作改变了医疗治疗方式。小型医疗设备可以通过器官或血管的腔道到达手术部位，用于诊断和治疗突出的异常和疾病，减少术后疼痛和切口并发症的风险。特别是由于其被动顺应性，毫米级软连续体机器人因其创新技术而具有安全性和适应性，在微加工技术、推进策略、远端驱动方法以及基于机械学运动学模型等方面取得了显著进展，并为更少创伤且更灵活的经腔道手术提供了有前景的途径。

然而，即使是最先进的小型软连续体机器人也需要与周围腔道进行交互。它们的身体只能被动弯曲，依赖于与腔壁相互作用产生的力量。这带来了一系列挑战，从潜在的医疗风险到受限制的移动性。一个迫切问题是机器人与腔壁相互作用可能对复杂、急剧弯曲路径中易损组织造成潜在损伤。另一个问题是上述力量产生的累积摩擦阻力，尤其是在弯曲血管中，这可能会阻碍移动并导致储存的弹性能量突然灾难性释放。热响应可变刚度磁性连续体机器人具有小规模、灵活性和可访问性等优势。它可以在部署时降低刚度以减少对组织施加的压力，但随着机器人不断深入腔道，压力仍将累积。这不仅会导致上述风险，还会导致局部屈曲，并阻止推力从近端传递至远端。此外，在机器人进入心脏、胃、膀胱或血管交汇等开放区域时面临更大挑战，在这些区域由于缺乏解剖结构进行交互而其移动能力受到严重限制。

因此，连续体机器人应具备主动适应环境特征的能力，并且能够独立地到达目标，而不受组织相互作用的影响。表现出“跟随领导者”（FTL）行为的机器人提供了一种有前途的解决方案，因为它们可以在不依赖环境相互作用的情况下运行。这种行为使得FTL连续体机器人能够熟练地在患者解剖结构中导航，同时避免敏感区域。本文所定义的FTL行为是指由机器人尖端引导其身体沿轨迹移动，可以通过集成多个独立主动变形段以增强自由度（DOF）来实现。然而，挑战在于以与生物肌肉一样高效的方式排列这些变形段，从而限制了FTL部署仅限于特定或预先定义的轨迹。另一种FTL连续体机器人方法涉及部署两台同心排列蛇形机器人，并采用形状锁定机制。然而，复杂的锁定结构会导致横截面尺寸增加和角度范围受限。

在这里，我们提出了一种毫米级连续体机器人，具有超光速行为（FTL），能够进行顶端延伸并具有稳定的结构（如图1a、b所示）。该机器人采用基于相变的双组分系统，通过可编程磁场引导进行周期性的尖端延伸。每个运动周期都包含一个稳定的固体状后背以及向前推进的液态成分，使机器人的形状可以通过对尖端轨迹的规划进行主动或重新编程，而不受环境交互的影响。当与先进的成像技术结合时，我们的机器人能够实现精确的磁力引导导航，类似于一根细线在狭窄而复杂的通道中穿行，同时显著减少组织损伤和摩擦（如图1c i所示）。在开放空间中，其移动特性，包括可访问性和灵巧性，并未受到限制（如图1c ii、iii所示）。除了通过集成微型手术工具执行手术功能（如图1c iv、v所示）外, 我们 的 机 器 人 不仅仅是一个工具携带者。当到达 如 胃部 等 宽 阔 的 解剖区域时, 它 能 够 在原地 变 形 为 复 杂 的三 维 结 构 ,既 可作为 手 术 工 具 ,也 可作为传感单元 。这 克服了传统手术工具几何结构和功能上 的局限性。独特 的 是 ，该 机 器 人 还 可以 感知 外 部 因素 如压 力 ， 并 能 自 行 打 结以 提高 其 敏 感能力 （ 图1 c vi) 。我们通过体外 和体内 研究证实了这些能力 ， 展 示了 机 器 人 的 移 动 性、功 能 性 和与现有医疗技术之间 的兼容性 。表1比较了我们 的 机 器 人与现有连续体机器人 （ 包括商用 内窥镜）之间 的 性 能 对比情况。

图1：用于经皮穿刺手术的毫米级磁控连续体机器人示意图。
一种连续体机器人的概述。我们的机器人由两个相变组件（PTC）组成，分别名为“引导者”和“跟随者”。“引导者”被组装在与“跟随者”同心的硅胶管中，并与之粘合在一起，其尖端嵌有一颗微小的永久磁铁，可响应外部磁场。低熔点合金（LMPA）和电阻加热器被封装在硅胶管中，而水凝胶涂层则生长在“引导者”和“跟随者”的表面，以显著降低摩擦系数。b 我们机器人的设计原理示意图。“引导者”和“跟随者”的形状相互交错。在运动周期中，两个PTC交替处于固态和液态状态，分别对应支撑状态和运动状态。c 在磁控引导下，磁控连续体机器人在组织的腔隙或空腔（如血管、淋巴管）中表现出卓越的运动性能（i、ii、iii）和功能性（iv、v、vi）。

图2：机器人的制作、结构分析和热管理。
a 详细的准备过程。（i）将熔融的LMPA注入预先安排了加热电路的硅胶管中。（ii）冷却LMPA，并用胶水将硅胶管两端密封。（iii）重新熔化密封的LMPA，向硅胶管施加压力以维持LMPA的压力，从而获得相变组件（PTC）。（iv）应用水凝胶层进行润滑。（v）将永久磁铁安装在PTC上以获得导向器。轴向粘接一个硅胶管到PTC上以获得跟随器。（vi）导向器和跟随器的组装形成所提出的磁性转向连续机器人。b 在PTC表面应用水凝胶后，摩擦系数大大降低。嵌入图像是摩擦系数测试示意图。c 在重力场中，由于材料弹性模量和应用目标限制，刚性PTC直径应超过1mm以约束其他柔性PTC并保持其形状。d 热传递模拟显示，在气体或液体环境中保持0.3 A或0.9 A恒定加热电流可使LMPA迅速达到相变温度。e 一旦一个PTC被加热至柔软状态，受到传导影响另一个刚性PTC可能会超过相变温度；因此需要控制加热温度。通过数值模拟获取了受加热导引物稳定温度对跟随物影响情况。f 建立了温度与绝对电阻变化之间映射关系。g 导引物和跟随物可以在空气和水（环境温度=37°C) 中通过比例-积分-微分 (PID) 控制调节其温度。

引导者和跟随者交替工作，形成一种合作关系：(1) 首先，被加热到相变温度的引导者变得灵活，可以向前移动，而跟随者保持坚硬以提供支撑。由于两者的弯曲强度相差几个数量级（图2c，详细结构分析见材料和方法部分），坚硬的跟随者保持连续机器人展开部分的形状，作为载体在前端推力的作用下将灵活的引导者向前输送。伸出的灵活的引导者部分将向磁场方向偏转。(2) 随后，引导者和跟随者交换状态，在机器人的运动周期内转换角色。现在坚硬的引导者稳定了展开形状，其突出部分形成一个新的载体，限制了推进的柔性跟随者的形状。机器人的最大横截面尺寸约为3-4毫米，长度可能达到几米。

图3：机器人的数控操作。
a 实验设备示意图。b 分析了重力影响最显著的情况：软化的导向器水平放置在水平磁场和垂直重力场下的悬臂梁上。c 在恒定曲率假设下，在30 mT磁场强度（γ∈[0，π] rad）下，可访问的导向器区域（l∈20,40 mm）以蓝色突出显示。背景颜色表示由颜色条指示的尖端偏转角度（以弧度表示）。d 我们的机器人在一系列预先规划的磁场下导航，形成预先确定的体形。Adv.和Mag.分别代表前进和磁场。标尺条，10毫米。e 比较细丝和机器人的运动情况。图片显示，在水环境中，连续机器人像一种自然攀爬植物一样卷绕在支撑物上：细丝。标尺条，10毫米。

图4：在复杂环境中的磁导航。
图4a：机器人在高度无结构环境中执行任务的示意图。图4b：工作环境示意图。第一层有障碍物是在水环境中，第二层有一组环和通道是在空气中环境。相邻的小环之间有较大的角度。图4c：机器人可以在不依赖于与环境的交互的情况下通过无结构环境。首先，机器人在第一层的障碍物上平稳通过（0-5分钟）。然后它可以沿着路径1（5-9分钟）和路径2（9-18分钟）导航曲折的路径到达感兴趣区域。比例尺，10毫米。

图5：各种功能结构的形成。
图5a：机器人通过狭窄的体内腔道到达相对开阔的空间时，可以形成大型的功能结构。机器人可以形成如图5b所示的“B”、“M”、“C”和“R”等字母，如图5c所示的套索，以及天线。图5d展示了由具有可变刚度的机器人形成的套索，可用于捕捉物体。图5e的一系列光学图像记录了机器人可以紧密地形成和打结三维结节图案。所有标尺，10毫米。图5f展示了机器人可以将自己打成结以进行压力检测。与径向变形不同，PTC的电阻对轴向变形不敏感。导向器和跟随器仅在正常运行期间沿轴向变形，不会干扰基于电阻的实时状态监测。结改善了机器人对径向变形的敏感性，使该机器人可以作为肠道压力检测的压力传感器。

图7：体外胃治疗时，内窥镜成像引导连续体机器人的磁导航。
a 该机器人可作为运动单元，附有功能单元。例如，配备微型摄像头、光纤和操作通道后，该机器人可将药物输送至胃部病变部位。b 猪胃治疗的实验环境。数字对应关系为：(1) 磁致动系统、(2) 4自由度平台、(3) US成像设备、(4) 推进单元、(5) 猪胃。c 机器人通过食道进入胃部，然后在配备的微型摄像头的帮助下找到并到达胃部病变部位。在病变部位周围喷洒药物后，又在胃部检查了另一个区域。在机器人上的摄像头和猪胃内的固定摄像头拍摄了图像。

图8：X射线成像辅助的体内/体外实验。
a 示意图显示机器人在磁导航的引导下通过下腔静脉进入上腔静脉或右心房的过程。猪尸体的胸腔在血管造影后通过X射线成像。b 一系列放射图像记录了机器人在静脉和心脏中的部署过程。标尺，30毫米。c 猪体内胃部的机器人部署情况。d 通过X射线成像定位后，机器人在X射线引导下通过食道进入猪的胃部，并在施加的磁场下形成钩状形态。标尺，40毫米。

小型软连续体机器人具有自主向顶端延伸并保持结构稳定的迫切需求，而不依赖于环境接触产生的力。这对于提高手术安全性、减少复杂性和扩展功能能力至关重要。在本研究中，我们引入了一种具有“follow-the-leader”(FTL)行为的磁控连续体机器人来满足这一关键需求。我们的机器人由两个只能相对轴向移动的PTC组成，交替改变其刚度并以周期性方式移动。在每个运动周期中，这些组件交替地作为稳定的固体状脊椎和液体状元素，以实现逐步推进。该设计使得机器人形状可以通过其尖端轨迹规划进行主动和动态编程或重编程，从而实现与环境交互无关的操作。此外，我们优化了该机器人的结构、润滑层、工作温度和控制模型以满足运动要求，并结合临床影像技术，在真实临床相关的离体和活体环境中展示出了该机器人在医学应用方面潜在价值。

此外，将机器人与现有或尖端的医疗技术相结合将促进未来临床应用。基于X射线和超声成像的影像技术已经在临床诊断中得到广泛应用。我们已经将超声成像集成到我们的系统中，并在模拟血管实验中表明，具有高空间和时间分辨率的超声成像可以实时反馈机器人在深层组织中的整体位置。此外，在猪尸体心脏和活猪胃部位的实验显示，放射性影像学可以直观地确定机器人在体内环境以及位置，因此我们计划在未来工作中引入X射线成像到我们的实验系统中。为了更精确地进行复杂环境下的手术操作，还将结合磁定位技术获取机器人尖端的实时姿态。微型化手术工具也是一种有效进行穿刺手术程序的方法。根据工作环境和目标不同, 可以加载多种功能微型单元到机器人上。通过小型摄像头捕捉图像, 外科医生能够操作微型外科仪器进行活检和处理异常组织情况等操作。

然而，应该注意的是，结构的长径比较大以及材料的强度-密度比较小导致我们的机器人的抗弯强度较低。重力会变形机器人，但这并不影响其执行经皮手术的能力。首先，尽管机器人在导航过程中会因重力而与环境局部接触，但较小的压力不会造成组织损伤或不可忽略的摩擦阻力。其次，尽管机器人形成的功能结构在直观上也会受到重力的影响，但其较小的尺寸使得这种影响可以忽略不计。此外，可以使用磁力来减少重力对高精度操作的影响。

在未来的临床操作中，外科医生将使用可移动的电磁铁39或商用磁导航系统来操控磁导向连续体机器人。尽管先进的混合控制策略将减少手术时间并将工作温度降低至环境温度以下，但添加微型冷却结构仍然具有挑战性。在未来的工作中，我们将开发相应的准备方法。我们设想未来改进后的机器人能够安全快速地通过任何腔道，在携带或原位形成多种手术工具以完成临床任务。这种机器人将使经腔道机器人手术拥有更广泛的应用范围和更高水平的安全性，并为微创手术提供更多功能和智能工具。

补充视频Video 1：PTC在水和空气中的加热和冷却。

补充视频Video 2：磁控连续体机器人的展开。

补充视频Video 3：磁控连续体机器人像真正的藤蔓一样攀爬。

补充视频Video 5：机器人在现场形成各种简单的结构。

补充视频Video 7：分段可变刚度。

补充视频Video 9：用US成像在模拟主动脉弓中进行磁导航。

补充视频Video 11：精度和准确度的演示。

补充视频Video 13：X射线成像辅助的体内外实验。

参考文献：

Magnetic steering continuum robot for transluminal procedures with programmable shape and functionalities.

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1 机器人与系统国家重点实验室，哈尔滨大学，哈尔滨一匡2号，150001;
2 机器人与系统国家重点实验室，哈尔滨大学，哈尔滨一匡2号，150001
3 机器人与系统国家重点实验室，哈尔滨大学，哈尔滨一匡2号，150001
4 机器人与系统国家重点实验室，哈尔滨大学，哈尔滨一匡2号，150001

Nature Communications, 15, 3759 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48058-x .

相关应用介绍

采用组合Pneu-Net执行器的模块化软抓手，点击 here

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