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蘇黎世聯邦理工學院顧紅日博士等《Nat. Commun.》:磁性軟體機器人鏈可自折疊成復雜穩態結構
2023-03-12  來源:高分子科技

  隨著微創手術的普及,普通患者的痛苦得到大大減輕,術后恢復也更快。然而,微創手術器械的尺寸限制也導致手術難度加大,特別是在狹窄、復雜的內部環境中操作時。而利用軟體機器人技術可以有效地解決這個問題,特別是利用磁性驅動機器人,可以實現精確的導航、立體成像和精細操作,已成為微創手術領域的熱門技術。


圖一:磁性軟體機器人鏈(MaSoChains)的概念、結構和工作機制。


  然而,由于導管鞘的內徑和人體創口的尺寸限制,微創手術器械的大小和功能都受到了局限,難以進一步優化。為了解決這個問題,瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的研究人員開發了一種新型的自折疊軟機器人鏈,稱之為MaSoChains。該技術通過利用自身的彈性和磁性,可以自動折疊成穩定的結構,并可以根據需要進行自由組合,實現不同的形態和功能。這種磁性軟體機器人可以與最先進的磁性導航設備兼容,并提供許多難以通過現有外科手術工具實現的理想特征和功能。該工作以“Self-folding soft-robotic chains with reconfigurable shapes and functionalities”為題發表在《Nature Communications》上(Nat Commun 14, 1263 (2023))。



圖二:復雜的二維和三維幾何結構的動態折疊過程。


  文章中,作者詳細介紹了這一類磁性軟體機器人鏈(MaSoChains)特點和應用。MaSoChains由3D打印的軟性和剛性部分交替組成,同時還裝配了釹鐵硼磁鐵。當機器人被推出導管鞘時,預先拉伸的軟性部分會開始回彈,使相鄰的剛性部分靠近并形成鎖定組裝后的形狀(見圖一,圖二)。這種折疊機制可以通過來回拉動和推動MaSoChain來逆轉并重新組裝。這個新的組裝策略可以實現多種明顯大于導管鞘的內徑自組裝結構,為微創手術器械和工具提供了全新的機會。在文章中作者展示了可用大幅增加工作范圍的心臟導管和一個可折疊的大型抓取器。同時,結合柔性印刷電路板(flexible PCB),還可以進一步擴展MaSoChain的功能,將其作為一個平臺,集成現有和定制的電子器件,實現局部的傳感,計算,和執行器的結合(圖三)。最后,研究人員展示了一種基于MaSoChain的帶導線的三段折疊膠囊內窺鏡,它具有機載攝像頭、轉向磁鐵和工作通道,可用于進行活檢(圖四)。


圖三:集成了柔性印刷電路板的MaSoChain


 圖四:基于三段折疊的MaSoChain膠囊內窺鏡。


  文章的第一作者兼通訊作者為瑞士蘇黎世聯邦理工學院顧紅日Minsoo KimQuentin Boehler 和 Bradley Nelson為共同通訊作者。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-36819-z

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