混合驅(qū)動軟連續(xù)體機器人實現(xiàn)大轉(zhuǎn)角和高精度操作

對于生物醫(yī)學領(lǐng)域的多個應用場景（心血管手術(shù)、支氣管手術(shù)等），小型軟連續(xù)體機器人都展現(xiàn)了其巨大的應用潛力（圖1a）。然而，現(xiàn)有的連續(xù)體機器人卻在驅(qū)動選擇方面經(jīng)歷相應的瓶頸期，其難以同時擁有小尺寸、柔順驅(qū)動、大轉(zhuǎn)角以及高精度操作等特性，因而在一定程度上限制了其在體內(nèi)某些狹長受限環(huán)境下的廣泛應用。而傳統(tǒng)的加工制造方法不能很好的實現(xiàn)驅(qū)動方式綜合性能的改善。

近日，香港城市大學生物醫(yī)學工程系申亞京教授帶領(lǐng)的研究團隊開發(fā)了一款毫米級的軟連續(xù)體機器人（圖1），其在線控和磁場的混合驅(qū)動模式下同時擁有大轉(zhuǎn)角和高精度操作能力。為了實現(xiàn)毫米級外形尺寸的混合驅(qū)動，該團隊基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印機nanoArch P140打印出超薄的鏤空型機器人骨架（長度30mm，外徑3.0mm，壁厚300μm），并在薄壁上形成150μm的貫穿孔用于腱索的布置。此外，該團隊通過在機器人骨架外表面涂覆鐵磁彈性體薄層（100~150μm）來獲得磁響應性能。所提出的混合驅(qū)動軟連續(xù)體機器人能實現(xiàn)約100°的大角度導向以及高精度（靜定位精度低至2μm，動態(tài)跟蹤精度低至10μm）的微操作。該成果以“Millimeter-scale Soft ContinuumRobot for Large Angle and High Precision Manipulation by Hybrid Actuation"為題發(fā)表在Advanced Intelligent Systems上。

https://doi.org/10.1002/aisy.202000189

在該工作中，所研發(fā)的毫米級軟連續(xù)體機器人整體示意如圖1所示。圖一b左上角展現(xiàn)了機器人在目標區(qū)域—狹長受限環(huán)境內(nèi)的導向能力。其中，線控功能由兩對拮抗型腱索的拉緊/放松策略來實現(xiàn)，而磁驅(qū)性能則來自于彈性表皮中定向排列的鐵磁顆粒在外加磁場中受力/力矩導致的偏轉(zhuǎn)。在微尺度3D打印技術(shù)的加持下，該連續(xù)體機器人擁有較大的中空腔體，這一特性為后續(xù)多種微創(chuàng)手術(shù)器械的攜帶創(chuàng)造了條件。

圖1. 毫米尺度軟連續(xù)體機器人整體示意圖。先使用摩方精密（BMF）nanoArch P140打印出超薄的鏤空型機器人骨架（長度30mm，外徑3.0mm，壁厚300μm），并在薄壁上形成150μm的貫穿孔用于腱索的布置；再通過在機器人骨架外表面涂覆鐵磁彈性體薄層（100~150μm）來獲得磁響應性能。

該混合驅(qū)動機器人的大轉(zhuǎn)角導向能力及高精度操作性能驗證如圖2所示。線驅(qū)模式下，軟連續(xù)體機器人成功在具有多個三維分叉的狹長受限管道內(nèi)實現(xiàn)了導向行進（如圖2a,b）。而在外加磁場的驅(qū)動下，該機器人展現(xiàn)了極.好的動態(tài)跟蹤效果（如圖2c,d）。

圖2. 大轉(zhuǎn)角導向能力及高精度操作性能驗證

受益于線驅(qū)模式的大轉(zhuǎn)角導向以及較好的抵抗外力的能力，該軟連續(xù)體機器人能夠在狹窄血管模型中實現(xiàn)病理區(qū)域的搜尋（如圖3a）。將所攜帶的微創(chuàng)手術(shù)工具遞送至前端之后（圖3b），該機器人可在外磁場的驅(qū)動下實現(xiàn)高精度的微操作（圖3c），并進一步完成例如微注射和微切除（圖3d）等工作。此外，磁驅(qū)模式下，所研發(fā)的毫米級軟連續(xù)體機器人通過攜帶鼻咽拭子展現(xiàn)了鼻咽采樣的現(xiàn)實功能（如圖3e,f），其為當前新.冠疫情的采樣檢測提供了新的思路。

圖3. 生物醫(yī)學應用場景

總而言之，該工作中所提出的結(jié)合了微尺度3D打印技術(shù)而得到的毫米級軟連續(xù)體機器人同時具備小尺寸、柔順驅(qū)動、大轉(zhuǎn)角、高精度等特性，其在狹長受限環(huán)境下展現(xiàn)了優(yōu)異的運動操作性能。與此同時，此項工作也為連續(xù)體機器人的小型化設(shè)計提供了一種新的方法，并將在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域展現(xiàn)更大的應用潛力。