在過去的幾十年里，基于導(dǎo)管的手術(shù)改變了醫(yī)學(xué)，為醫(yī)生提供了一種微創(chuàng)的方式來做任何事情，從放置支架和靶向腫瘤到提取組織樣本和為醫(yī)學(xué)成像提供造影劑。雖然今天的導(dǎo)管是高度工程化的機(jī)器人設(shè)備，但在大多數(shù)情況下，將它們通過身體推到干預(yù)部位的任務(wù)仍然是一個(gè)手動(dòng)且耗時(shí)的過程。

 

　　將功能性纖維開發(fā)的進(jìn)步與智能機(jī)器人的發(fā)展相結(jié)合，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院光子材料和光纖設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的研究人員創(chuàng)造了多功能導(dǎo)管形狀的軟機(jī)器人，當(dāng)用作導(dǎo)管時(shí)，可以遠(yuǎn)程引導(dǎo)到目的地，甚至可以通過半自主控制找到自己的方式。“這是我們第一次能夠以如此大的可擴(kuò)展性生成軟導(dǎo)管樣結(jié)構(gòu)，可以集成復(fù)雜的功能，并可能在體內(nèi)進(jìn)行引導(dǎo)，”該研究的首席研究員Fabien Sorin說。他們的工作發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上。

 

　　工藝

 

　　研究人員用通常用于生產(chǎn)光纜的熱拉伸工藝創(chuàng)造了光纖，類似于從火鍋中拉出一長串奶酪并讓它變硬。材料的選擇至關(guān)重要，彈性體-彈性聚合物在拉伸時(shí)恢復(fù)其原始形狀-是首選：除了柔韌性外，它們還足夠柔軟，可以最大限度地減少脆弱身體組織的病變。但是，該研究的第一作者Andreas Leber說：“從歷史上看，熱繪圖僅限于硬質(zhì)材料。幸運(yùn)的是，我們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定了一類熱塑性彈性體，可以拉制并在拉制后保持其彈性體性能。

 

　　集成運(yùn)動(dòng)控制、傳感和藥物輸送

 

　　為了生成在整個(gè)長度上具有多個(gè)通道的長纖維，研究人員必須微調(diào)拉絲工藝參數(shù)。Fabien Sorin說：“該工藝的一個(gè)重要特征是材料的粘度與表面張力之間的相互作用，前者可以拉出連續(xù)的纖維，后者可能導(dǎo)致其中的通道塌陷。

 

　　通過獲得材料特性、拉伸速度和恰到好處的溫度，該團(tuán)隊(duì)可以可靠地生產(chǎn)連續(xù)通道，這些通道以微米級在光纖內(nèi)精心布置，使光纖具有機(jī)器人功能。例如，通過使用電機(jī)拉動(dòng)引入通道的一個(gè)或多個(gè)肌腱-這是智能導(dǎo)管中的一種行之有效的方法-醫(yī)生可以控制纖維末端的方向以引導(dǎo)其通過身體。

 

　　除了通道，光纖還可以使用熱拉工藝配備各種元件。“除了肌腱之外，纖維還可以集成光學(xué)導(dǎo)板、電極和微通道，使藥物輸送、成像、電記錄和刺激以及機(jī)器人和醫(yī)療應(yīng)用中常用的其他工具成為可能，”Leber解釋道。

 

　　這些功能元件也為自主纖維形機(jī)器人打開了大門。“集成的光學(xué)導(dǎo)板賦予光纖視覺感。他們可以檢測并避開軌跡中的障礙物，甚至可以自己找到目標(biāo)物體，例如空腔，“Leber繼續(xù)說道。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是由實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)從頭開始開發(fā)的復(fù)雜控制算法和軟件用戶界面。

 

　　電氣和流體功能，以及使用軟機(jī)器人光纖進(jìn)行高級導(dǎo)航。a）集成三根金屬線的光纖橫截面的光學(xué)顯微照片。b）電探測實(shí)驗(yàn)期間的照片和測量電流的順序。c）光纖橫截面的光學(xué)顯微照片，在其中心集成三個(gè)微通道。d）流體實(shí)驗(yàn)的照片序列。e）集成四個(gè)PTFE襯里（底部）和移除襯里的相同光纖的光纖橫截面的光學(xué)顯微照片。f）65厘米長的機(jī)器人纖維的照片，帶有可操縱的軟尖端和包含PTFE襯里的剛性主體。g）主動(dòng)脈弓模型和機(jī)器人纖維導(dǎo)航血管、放置導(dǎo)絲和輸送液體的照片序列。h）光纖橫截面（頂部）和照片（底部）的光學(xué)顯微照片，集成了3個(gè)肌腱專用腔、一個(gè)PTFE襯里、一個(gè)光學(xué)導(dǎo)軌、兩根電線和一個(gè)流體通道。

 

　　高度可擴(kuò)展的制造

 

　　雖然聽起來很復(fù)雜，但這些多材料纖維的生產(chǎn)非常簡單。“我們使用光纖制造技術(shù)，這種技術(shù)非?？蓴U(kuò)展。您可以在一夜之間產(chǎn)生數(shù)百公里的光纖。因此，我們的制造方法帶來了一種新穎的、可擴(kuò)展的方法，可以制造具有前所未有的先進(jìn)功能組合的軟導(dǎo)管狀結(jié)構(gòu)，“Sorin說。

 

　　軟機(jī)器人纖維的制造、結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)。a）熱拉伸制造技術(shù)和肌腱驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理圖。

 

　　遙控導(dǎo)管只是這種新型基于光纖的軟機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)的眾多令人興奮的潛在應(yīng)用之一。“基于肌腱的運(yùn)動(dòng)控制方法是開發(fā)熱拉智能導(dǎo)管的第一步。下一步將涉及轉(zhuǎn)向電或磁驅(qū)動(dòng)模式，并測試這種纖維的令人興奮的機(jī)會，更接近臨床應(yīng)用，“帝國理工學(xué)院Hamlyn機(jī)器人外科中心的合著者和小組負(fù)責(zé)人Burak Temelkuran說。

 

　　應(yīng)用潛力：智能床墊、軟假肢和工業(yè)機(jī)器人

 

　　軟機(jī)器人纖維在人體外也有豐富的應(yīng)用。床墊可以配備它們來監(jiān)測睡眠質(zhì)量或根據(jù)感應(yīng)到的壓力和生理參數(shù)改變其材料特性，為用戶提供更好的夜間睡眠。這些纖維可用于制造柔軟的假肢，能夠通過變得更硬來響應(yīng)關(guān)節(jié)上多余的機(jī)械應(yīng)力。工業(yè)或環(huán)境傳感應(yīng)用可能包括自導(dǎo)軟機(jī)器人，這些機(jī)器人基于集成熱傳感器、觸覺傳感器甚至視覺電氣和光學(xué)系統(tǒng)感知的信息進(jìn)行導(dǎo)航。