小型連續(xù)體機器人憑借其能夠進入狹窄腔體的能力多種方式、微創(chuàng)和低感染風險等優(yōu)勢，為體內(nèi)介入診斷和治療開辟了新的道路技術創新。盡管小型連續(xù)體機器人帶來了小輪廓邁出了重要的一步、精確轉(zhuǎn)向和可視化治療的前景，但同時具備這三個重要特征對于機器人來說仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)設施，也就是所謂的“不可能三角"問題需求。

近期，香港科技大學（HKUST）工程學院申亞京教授研究團隊開發(fā)了一種用于介入診斷和治療的磁驅(qū)光纖連續(xù)體機器人組合運用，展示了高精度控制和內(nèi)窺下多功能生物醫(yī)學操作能力更讓我明白了。這款連續(xù)體機器人不僅借助微納3D打印和磁噴涂技術(shù)實現(xiàn)了0.95mm的極小輪廓，同時具有競爭力的成像性能積極，并將障礙物檢測距離提升至9.4mm左右探索，比理論極限提高了十倍。此外產業，該機器人具備出色的運動精度（小于30μm）滿意度，并可通過掃描方式將成像區(qū)域擴大至光纖束固有視野的25倍。在離體豬肺試驗中可持續，該機器人進一步驗證了其在受限通道（如肺部末端支氣管）導航和原位執(zhí)行多功能操作（包括采樣主要抓手、藥物輸送和激光消融）等方面的實用性。通過克服現(xiàn)有連續(xù)體機器人在受限通道環(huán)境中執(zhí)行精確內(nèi)窺操作的局限性，該研究闡明了通過設(shè)計小型連續(xù)體機器人以進入身體內(nèi)更具挑戰(zhàn)性區(qū)域的新潛力很重要，并拓寬了其在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用潛力能力和水平。

該工作以題為“Sub-millimeter fiberscopic robot with integrated maneuvering, imaging, and biomedical operation abilities"的論文發(fā)表在最新一期頂級綜合學科期刊《Nature Communications》上。博士后研究員張鐵山博士和李根博士為共同第一作者異常狀況。

本研究的整體概念如圖1所示研究。圖1a示意了現(xiàn)有機器人所存在“不可能三角"關(guān)系。為了解決上述問題應用創新，該團隊提出了一種基于光纖的連續(xù)體機器人提高，其具有亞毫米級輪廓，可以執(zhí)行高精度運動并在原位進行多功能操作的特性，能夠輕松介入體內(nèi)一系列受約束的通道環(huán)境交流，例如肺部末端支氣管區(qū)域（圖1b）。這項工作著重探索了纖維內(nèi)窺機器人的集成設(shè)計和小型化制造方法共同，實物如圖1c所示推進一步。該團隊開發(fā)的纖維內(nèi)窺機器人主要由用于成像的光纖陣列、實施治療的定制工具簡單化、部署光纖/工具的中空骨架和用于控制的功能化皮膚組成力度。

基于中心光纖傳像束和幾根環(huán)形布置的光導纖維，此機器人能展現(xiàn)較好的原位成像能力系統性，可用于疾病診斷勇探新路。此外，通過嵌入激光光纖或微管傳遞，可實現(xiàn)激光或流體藥物輸送到病理靶點試驗，進行可視化治療。而為了精確控制探頭的運動開展攻關合作，團隊提出了功能化皮膚的策略製度保障。首先，團隊使用磁噴涂技術(shù)的有效手段，將一層磁性彈性體覆蓋在表面統籌推進，使探頭在磁場下具有主動轉(zhuǎn)向能力，這種加工方法幾乎不增加其輪廓尺寸關鍵技術。然后了解情況，團隊在機器人身體的外表面上進一步涂覆一層水凝膠皮膚，增加親水性技術研究，從而減少介入手術(shù)過程中的潛在摩擦重要的。該機器人前端探頭的詳細結(jié)構(gòu)以及功能如圖1d所示。

圖1. 具有成像積極參與、操縱和醫(yī)療操作能力的基于光纖的亞毫米連續(xù)體機器人問題分析。

其中亞毫米空心骨架是通過摩方精密nanoArch® S140（精度：10μm）3D打印系統(tǒng)制備而成培養，設(shè)計的骨架結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)比較如下。

表1.空心骨架結(jié)構(gòu)尺寸推廣開來。

圖2.骨架結(jié)構(gòu)比較推動。

為了探索纖維內(nèi)窺機器人的成像性能以及輔助導航功能相對較高，該團隊設(shè)計了相應的內(nèi)窺成像光學系統(tǒng)資源配置，如圖3a所示。通過建立光路的虛擬直射模型相關，分析了該探頭的光路傳輸分布情況（圖3b）大力發展。理論計算（圖3c）以及實驗測量（圖3d）顯示出較高的吻合度，均表明隨著距離ds的增加生產效率，所接收到的光通量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢產能提升，且峰值出現(xiàn)在距離探頭約1mm處；此外節點，接收的光通量還隨著偏移量dr的增加而增加通過活化，直到dr=0.225mm（光纖束的半徑），之后保持穩(wěn)定的特點。其中健康發展，接收的光通量峰值代表了后端相機的過曝狀態(tài)，也即是說明了最大的清晰成像區(qū)域應在該距離以內(nèi)大數據。而在成像區(qū)域內(nèi)長效機製，所提出的內(nèi)窺成像系統(tǒng)可以清晰地捕獲物體，例如大小約為250μm的數(shù)字符號“5"數字技術，如圖3a所示奮戰不懈。

為了實現(xiàn)有效和安全的導航，具備在超過理論最大成像距離（1mm）更遠的區(qū)域進行探索的能力至關(guān)重要措施，其可用于提前識別分叉和障礙物大大縮短，從而做出正確決策（進入或繞過）。為了應對這一挑戰(zhàn)緊密相關，研究團隊提出了一種基于強度分布的環(huán)境探索策略更默契了。如圖3e所示，當一個物體偏移放置在前面時共同學習，通過中心光纖束收集的光強在內(nèi)窺視圖內(nèi)的不同象限是有區(qū)別的不要畏懼，即如果物體位于這個象限，強度會更高問題，而如果前方無遮擋逐漸顯現，強度則會更低。因此系統穩定性，即使沒有清晰的圖像拓展基地，研究實驗也可以將收集到的各象限內(nèi)光強度作為預測環(huán)境的參數(shù)集中展示。通過分析四個象限內(nèi)各自的光強度和相應歸一化值的變化，不僅可以識別前方是否有障礙物體系流動性，還可以估計其相對于探頭的相對方向探索創新。實驗結(jié)果表明，此策略能實現(xiàn)將模糊障礙物檢測距離擴大約10倍實現了超越，達到約9.4mm（圖3f）新產品。

圖3. 纖維內(nèi)窺機器人的成像系統(tǒng)特征。

為了實現(xiàn)纖維內(nèi)窺機器人的主動控制橋梁作用，研究團隊提出了兩段式磁控策略以獲得復雜通道環(huán)境中的大角度導向和病理區(qū)域高精度定位的復合性能長遠所需。如圖4a所示，連續(xù)體機器人的運動由兩組磁驅(qū)系統(tǒng)來進行調(diào)節(jié)讓人糾結，即磁性軟鞘和磁驅(qū)探頭規模。前者由永磁體驅(qū)動以實現(xiàn)較大的運動范圍，后者由三自由度（3DOF）亥姆霍茲線圈驅(qū)動以實現(xiàn)高精度基石之一。如圖4c聯動、d和e所示，該團隊通過三種典型的測試軌跡共同努力，即正方形行業內卷、圓形和螺旋形服務水平，驗證了其在3D空間中的運動精度約為30μm方法。高精度的運動能力使機器人能夠突破傳統(tǒng)傳像纖維束固有的視覺限制結論。如圖4f所示供給，利用磁性探頭的高定位精度全過程，可以準確預測探頭視圖在每幀中的位置培養。通過設(shè)計掃描軌跡積極拓展新的領域，在無縫拼接圖像后的特點，可以在更大的視野中獲得樣本的完整信息應用創新。該團隊以一個直徑約為3.0mm的紫荊花圖案為例（圖4f）提高，通過對其中一片葉子進行掃描成像，清晰地展示了葉子的完整圖像（圖4g）改善。該掃描效果展現(xiàn)了成像區(qū)域的顯著擴展空白區，比光纖束的固有視野增加了約25倍。

圖4. 纖維內(nèi)窺機器人的高精度操縱信息化。

此外形勢，為了證明所提出的機器人系統(tǒng)在腔道環(huán)境內(nèi)的磁導航和成像能力，團隊打印了一個1:1的透明支氣管樹模型并進行了介入實驗（圖4h）取得明顯成效。如圖4i所示約定管轄，在后端推進機構(gòu)和外加梯度磁場的配合下，該體機器人可成功穿越分叉環(huán)境到達成像目標區(qū)域并執(zhí)行原位成像任務（圖4i-2展示了掃描所得邊長為200μm的網(wǎng)格圖案）創新的技術。然后發揮，機器人被引導至右支氣管通道顯著，并最終到達末端支氣管找到血栓（紅色凝塊）。

本研究集小尺寸開放以來、主動轉(zhuǎn)向和成像能力為一體占，有望促進狹窄通道疾病的早期有效診斷和治療，例如肺端支氣管疾病提供了有力支撐。為了證明這一點激發創作，該團隊通過在預設(shè)的微尺度功能腔搭載不同的醫(yī)療工具（例如激光光纖、微管等）意見征詢，利用豬肺模型進行了一系列離體實驗提升，包括采樣大大提高、藥物輸送和激光消融等任務（圖5a）的必然要求。通過DSA圖像，該團隊首先證實了探頭能成功進入內(nèi)徑約為1.0mm的末端支氣管取得了一定進展。此外完善好，探頭在介入過程中檢測到支氣管內(nèi)存在小氣泡（圖5b-2）。通過搭載的微管進行負壓抽吸收集了對應的液體樣本積極參與，其在光學顯微鏡下呈現(xiàn)了明顯的粘性特征和許多微米級氣泡（圖5b-3）問題分析。其后，該團隊演示了藥物遞送過程（圖5c）交流研討。通過將液體藥物（以高錳酸鉀溶液為例）輸送至探頭前端更加完善，可在解剖后的支氣管末端內(nèi)表面清晰觀察到棕色藥物（圖5c-4）。再者建設應用，該團隊利用搭載的激光光纖演示了激光燒蝕過程（圖5d）支撐作用，經(jīng)過遞送激光的高能量燒蝕，末端支氣管內(nèi)表面能清晰看到一個直徑約為300μm的小疤痕（圖5d-4）背景下，從而證實了激光消融在狹窄通道中的療效綜合措施。最后，為了進一步驗證所述結(jié)果自然條件，該團隊對治療過的支氣管組織進行了病理切片實驗設計標準。H&E染色結(jié)果顯示，正常支氣管結(jié)構(gòu)與藥物輸送和激光消融區(qū)域之間存在顯著差異（圖5e）互動互補。

圖5. 纖維內(nèi)窺機器人在離體豬肺模型中的功能演示發揮重要帶動作用。

總結(jié)：該研究開發(fā)了一種亞毫米纖維內(nèi)窺機器人，成功克服了小輪廓意料之外、高精度控制和功能操作之間的明顯沖突文化價值。為了實現(xiàn)所需的小輪廓，該研究采用光纖陣列作為核心元件系統，并利用微納3D打印技術(shù)制造探頭的骨架非常重要。為了實現(xiàn)高精度進一步提升、大范圍地控制探頭，該研究利用磁噴霧技術(shù)為機器人覆蓋了磁性皮膚營造一處，并提出了一種兩段式磁致動策略改革創新。最后，為了滿足原位功能性手術(shù)的要求取得顯著成效，該研究在探頭內(nèi)為各種手術(shù)工具預設(shè)了一個功能性腔道新模式。利用機器人的上述三方面功能，該研究最終實現(xiàn)了在肺支氣管樹模型內(nèi)的成功導航不容忽視，并在尺寸約為1.0mm的離體豬肺末端支氣管內(nèi)展示了多種原位手術(shù)操作組織了。這項工作有望為臨床手術(shù)機器人的發(fā)展提供關(guān)鍵的解決方案，旨在實現(xiàn)對身體內(nèi)部受限區(qū)域的早期診斷和治療說服力，從而進一步提升其在生物醫(yī)學應用領(lǐng)域的強大潛力搶抓機遇。