香港城大申亞京教授團(tuán)隊(duì)：混合驅(qū)動(dòng)軟連續(xù)體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)角和高精度操作

來(lái)源：摩方精密

對(duì)于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景（心血管手術(shù)、支氣管手術(shù)等），小型軟連續(xù)體機(jī)器人都展現(xiàn)了其巨大的應(yīng)用潛力（圖1a）。然而，現(xiàn)有的連續(xù)體機(jī)器人卻在驅(qū)動(dòng)選擇方面經(jīng)歷相應(yīng)的瓶頸期，其難以同時(shí)擁有小尺寸、柔順驅(qū)動(dòng)、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(zhǎng)受限環(huán)境下的廣泛應(yīng)用。而傳統(tǒng)的加工制造方法不能很好的實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)方式綜合性能的改善。

近日，香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系申亞京教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款毫米級(jí)的軟連續(xù)體機(jī)器人（圖1），其在線控和磁場(chǎng)的混合驅(qū)動(dòng)模式下同時(shí)擁有大轉(zhuǎn)角和高精度操作能力。為了實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)外形尺寸的混合驅(qū)動(dòng)，該團(tuán)隊(duì)基于摩方精密（3D專委會(huì)會(huì)員單位）超高精度光固化3D打印機(jī)nanoArch P140打印出超薄的鏤空型機(jī)器人骨架（長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)通過(guò)在機(jī)器人骨架外表面涂覆鐵磁彈性體薄層（100~150μm）來(lái)獲得磁響應(yīng)性能。所提出的混合驅(qū)動(dòng)軟連續(xù)體機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)約100°的大角度導(dǎo)向以及高精度（靜定位精度低至2μm，動(dòng)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(jí)軟連續(xù)體機(jī)器人整體示意如圖1所示。圖一b左上角展現(xiàn)了機(jī)器人在目標(biāo)區(qū)域—狹長(zhǎng)受限環(huán)境內(nèi)的導(dǎo)向能力。其中，線控功能由兩對(duì)拮抗型腱索的拉緊/放松策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，而磁驅(qū)性能則來(lái)自于彈性表皮中定向排列的鐵磁顆粒在外加磁場(chǎng)中受力/力矩導(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)器人骨架（長(zhǎng)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(guò)在機(jī)器人骨架外表面涂覆鐵磁彈性體薄層（100~150μm）來(lái)獲得磁響應(yīng)性能。

該混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的大轉(zhuǎn)角導(dǎo)向能力及高精度操作性能驗(yàn)證如圖2所示。線驅(qū)模式下，軟連續(xù)體機(jī)器人成功在具有多個(gè)三維分叉的狹長(zhǎng)受限管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)向行進(jìn)（如圖2a,b）。而在外加磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，該機(jī)器人展現(xiàn)了極好的動(dòng)態(tài)跟蹤效果（如圖2c,d）。

圖2. 大轉(zhuǎn)角導(dǎo)向能力及高精度操作性能驗(yàn)證

受益于線驅(qū)模式的大轉(zhuǎn)角導(dǎo)向以及較好的抵抗外力的能力，該軟連續(xù)體機(jī)器人能夠在狹窄血管模型中實(shí)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(jī)器人可在外磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)高精度的微操作（圖3c），并進(jìn)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(jí)軟連續(xù)體機(jī)器人通過(guò)攜帶鼻咽拭子展現(xiàn)了鼻咽采樣的現(xiàn)實(shí)功能（如圖3e,f），其為當(dāng)前新冠疫情的采樣檢測(cè)提供了新的思路。

圖3. 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用場(chǎng)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(jí)軟連續(xù)體機(jī)器人同時(shí)具備小尺寸、柔順驅(qū)動(dòng)、大轉(zhuǎn)角、高精度等特性，其在狹長(zhǎng)受限環(huán)境下展現(xiàn)了優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)操作性能。與此同時(shí)，此項(xiàng)工作也為連續(xù)體機(jī)器人的小型化設(shè)計(jì)提供了一種新的方法，并將在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域展現(xiàn)更大的應(yīng)用潛力。