Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона и Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете разработали гибридную жестко-мягкую роботизированную руку для эндоскопов со встроенным зондированием, гибкостью и несколькими степенями свободы.
Эта рука, созданная с использованием производственной парадигмы, основанной на производстве всплывающих окон и мягкой литографии, лежит на эндоскопе, пока не достигнет желаемого места, а затем всплывает, чтобы помочь в хирургических процедурах.Исследование описано в Advanced Materials Technologies.Мягкие роботы так многообещающи для хирургических операций, потому что они могут соответствовать жесткости тела, а это означает, что они не будут случайно прокалывать или разрывать ткани.
Однако в небольших масштабах мягкие материалы не могут создавать достаточную силу для выполнения хирургических задач.«В миллиметровом масштабе мягкое устройство становится настолько мягким, что не может повредить ткань, но также не может каким-либо значимым образом манипулировать тканью», — сказал Томмазо Ранзани, научный сотрудник SEAS и Института Висса и соавтор книги. бумага. «Это ограничивает применение мягких микросистем для проведения терапии. Вопрос в том, как мы можем разработать мягких роботов, которые по-прежнему способны генерировать необходимые силы без ущерба для безопасности».Вдохновленная биологией, команда разработала гибридную модель, в которой использовался жесткий скелет, окруженный мягкими материалами.
Метод изготовления основан на предыдущей работе по созданию всплывающих окон в стиле оригами, разработанной Робертом Вудом, профессором инженерных и прикладных наук Чарльза Ривера.Вуд является соавтором статьи и одним из основных преподавателей Института Висс.Предыдущие методы производства всплывающих окон, такие как те, что используются с Робопчётами, основаны на методах срабатывания, требующих высокого напряжения или температуры для работы, что было бы небезопасно в хирургическом инструменте, непосредственно воздействующем на биологические ткани и органы.
Итак, команда интегрировала мягкие актуаторы в всплывающую систему.«Мы обнаружили, что, интегрируя мягкие жидкостные микроактюаторы в жесткие выдвижные конструкции, мы можем создать механизмы мягкого выдвижения, которые увеличивают производительность приводов с точки зрения выходной силы, а также предсказуемости и управляемости движения», — сказала Шейла.
Руссо, научный сотрудник SEAS и Wyss и ведущий автор статьи. «Идея, лежащая в основе этой технологии, заключается в том, чтобы получить лучшее из обоих миров путем объединения мягких роботизированных технологий с жесткими структурами, вдохновленными оригами. Используя этот метод изготовления, мы смогли разработать устройство, которое может лежать ровно, когда эндоскоп перемещается к хирургической области, и когда хирург достигает области, которую он хочет прооперировать, он может развернуть мягкую систему, которая может безопасно и эффективно взаимодействовать с тканями ».
Мягкие приводы работают от воды. Они соединены с жесткими компонентами необратимой химической связью без использования какого-либо клея. Команда продемонстрировала интеграцию простых емкостных датчиков, которые можно использовать для измерения сил, действующих на ткань, и дать хирургу понять, где находится рука и как она движется. Метод изготовления позволяет производить массовое производство, что важно для медицинских устройств, и допускает повышенный уровень сложности для большего количества датчиков или приведения в действие.
Кроме того, все используемые материалы биосовместимы.Рука также оснащена присоской, напоминающей щупальца осьминога, для безопасного взаимодействия с тканями. Команда протестировала устройство ex vivo, имитируя сложную эндоскопическую процедуру на ткани свиньи.
Рука успешно манипулировала тканью.«Способность плавно интегрировать мягкое, но эффективное срабатывание в развертываемые механизмы миллиметрового размера естественно сочетается с множеством хирургических процедур», — сказал Вуд. «Мы сосредоточены на некоторых из наиболее сложных эндоскопических методов, в которых ловкость инструмента и обратная связь с сенсором имеют первостепенное значение и потенциально могут иметь решающее значение между успехом и неудачей».
Исследователи продемонстрировали, что масштаб устройства можно уменьшить до 1 миллиметра, что позволит использовать его даже в более жестких эндоскопических процедурах, например, в легких или головном мозге.Далее исследователи надеются протестировать устройство in vivo.
«Наша технология открывает путь к проектированию и разработке более компактных, умных и мягких роботов для биомедицинских приложений», — сказал Руссо.