在過去的半個世紀里，外科醫(yī)生使用工具和插入到小切口的微型相機進行微創(chuàng)腹腔鏡手術手術。這種手術方式對患者和醫(yī)生都更加安全。
最近，協(xié)助外科醫(yī)生的手術機器人開始出現(xiàn)在手術室里，這樣醫(yī)生可以同時操縱多個工具，這比傳統(tǒng)方式更精確，更靈活，更有控制力。但是，這些機器人系統(tǒng)是非常大的，通常需要占據一整個房間，且它們的工具比它們操作的精密組織和結構大得多。
哈佛大學副教職員工Robert Wood博士和索尼公司的機器人工程師Hiroyuki Suzuki進行合作，通過創(chuàng)建一個新的折紙式微型遠程運動操縱器中心（"mini-RCM"），將手術機器人降到了微觀尺度。
這種機器人大小像一個網球，重量約等于一分錢的重量。正如最近一期《Nature Machine Intelligence》所描述的那樣，這種機器人已經成功地執(zhí)行了一個困難的模擬手術任務。
Suzuki說："Wood的實驗室擁有制造微型機器人的獨特技能，在過去很多年里已經發(fā)明了許多讓人印象深刻的發(fā)明，我相信它也有在醫(yī)療操作器領域取得突破的能力。這個項目就非常成功。"
微型機器人，用于微任務
為了制造他們的微型手術機器人, Suzuki和Wood轉向了伍德實驗室開發(fā)的Pop-Up MEMS制造技術，在該技術中，材料相互沉積在一起，然后以特定模式進行激光切割，從而將所需的三維形狀"彈出"，像兒童彈出式圖畫書一樣。這種技術大大簡化了必需手工建造的復雜結構的生產。
該團隊創(chuàng)建了一個平行四邊形作為機器人的主要結構，然后制造了三個線性執(zhí)行器（mini-AS）來控制機器人的運動：一個平行于四邊形底部用來抬升和降低它，一個垂直于平行四邊形用來旋轉它，一個位于四邊形的頂端，用來伸出和收回使用的工具。其結果就是，機器人比學術界以前開發(fā)的其他顯微手術設備更小、更輕。
這種迷你LAS本身就是微型界的奇跡，它是壓電陶瓷材料構成，當施加電場時，這種材料就會改變形狀。形狀的改變推動著迷你LAS的“運動單元”像火車在軌道上運動一樣，沿著“軌道單元”線性運動，從而推動機器人。由于壓電材料會隨著自身的形狀改變而產生形變，因此該團隊也將LED光學傳感器集成到迷你LA中，以此來檢測并糾正來自于所需運動的任何偏差，例如由手顫抖造成的偏差。
比外科醫(yī)生的手更加穩(wěn)定
為了模擬遠程手術的條件，該團隊將迷你RCM連接到 Phantom Omni 設備中，以此來操作迷你RCM，響應用戶控制筆狀工具的手的動作。
在第一次測試中，他們采用用手追蹤和迷你RCM追蹤兩種方式，來評估了人類通過顯微鏡追蹤比圓珠筆尖還小的微型方塊的能力。與手動操作相比，微型RCM顯著提高了用戶準確性，誤差降低了68%。精準度的提高修復人體中小型且精致的結構上尤為重要。
在迷你RCM成功進行追蹤測試之后，研究人員隨后創(chuàng)建了一種稱為視網膜靜脈血管的外科模擬手術。這場手術中，外科醫(yī)生必須小心地將針頭插入眼睛，為眼球后部的微小靜脈注射治療劑。他們制造了一個與視網膜靜脈大小相同的硅膠管（大約是人頭發(fā)直徑的兩倍），在不造成局部損傷或破壞的情況下，成功地用針頭刺穿了它，并連接到了迷你RCM的末端。
除了具有精密外科手術的優(yōu)勢外，迷你RCM 的小體積提供了另一個重要優(yōu)勢：易于設置和安裝，在并發(fā)癥或者停電的情況下，可以輕松的用手將機器人從患者體中取出。
"在很多需要小型且精密的機器的領域，證明了Pop-Up MEMS方法是一種有價值的方法，而且非常令人滿意的是，它有潛力去提高手術的安全性和效率，降低對患者的侵入性。"同時是哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的查爾斯河工程與應用科學教授Wood說道。
研究人員的目標是增加機器人操作器的力量，超過操作過程中使用過的最大力，并且提高其定位精度。在加工過程中，他們還使用脈沖較短的激光器來提高微型LAs的傳感分辨率。
"Wood實驗室和索尼公司之間的這種獨特合作方式說明了將工業(yè)的實際關注點與學術界的創(chuàng)新精神相結合的好處，我們期待在不久的將來，能看到這項工作對外科機器人技術產生的影響，"哈佛醫(yī)學院和波士頓兒童醫(yī)院血管生物學的猶大民俗教授，SEAS生物工程教授，Wys研究所創(chuàng)始主任Don Ingber博士說。
