基于折纸结构研发的显微外科手术机器人mini-RCM

众所周知，显微外科手术往往伴随着极大的风险，需要医生极其精细且复杂的 *** 作，如此还是难免意外的发生。为了避免出现更多的意外，科学家们希望可以制造出机器人来替代一部分需要人手的工作，减轻医生的负担，也保证手术的安全与稳定。从而来自索尼集团和哈佛大学的研究者们 （Hiroyuki Suzuki和Robert J. Wood） 基于折纸结构研发了一款超轻便，高精度的显微外科手术机器人——mini-RCM，该项研究发表于nature旗下新子刊《nature machine intelligence（自然-机器智能）》，并登上该期刊8月份封面。这款手术机器人是专门为远程 *** 作的显微手术而设计的，它仅仅重达2.4g，尺寸为5cm x 7cm x 5cm， 由三个独立驱动的微型直线驱动器驱动，每一个直线驱动器重量仅为0.41g。经分析和测试，该机器人的位置精度可以达到0.0264mm，负载能力大约为27mN。通过实验测试展示了该机器人在显微外科手术领域巨大的应用潜力。

1. 基于折纸结构设计的显微外科手术机器人mini-RCM

显微外科手术是指利用显微镜等光学放大设备进行毫米，甚至微米尺度的外科手术，例如缝合血管（0.3到0.8mm），神经等。该项手术对于医生的技术和 *** 作要求非常之高，主要受限于人手在手术 *** 作过程会不可避免的出现极其轻微的震颤或者抖动，因此全世界只有少数外科医生会 *** 作。相比于人的肌肉，机器人有着更高的精度和稳定度，更加容易 *** 作，因此，用于外科手术的机器人近几年得到了大力发展，尤其是显微外科手术机器人，包括眼科手术和神经手术等。利用远端 *** 作设备，放大机器人的微小动作到人手的较大动作，可以极大的提高手术过程的精度。近几年科学家们已经研制了各种手术机器人，但目前来说它们的体积都较为庞大，且基本不具备柔顺性。

图2. 显微外科手术机器人

近日，来自索尼集团和哈佛大学（RobertJ. Wood）的研究者们提出了一款新型的，由折纸结构启发的微型手术机器人，mini-RCM，并将研究成果整理发表于nature旗下新的子刊《nature machine intelligence（自然-机器智能）》上。（Robert J. Wood是哈佛大学的教授，专门负责研发微型机器人，他的团队已经在science或者nature正刊和子刊上发表多篇论文，文末附有他领导的实验室网站）。

他们在论文中指出，要想研发一款微创手术机器人，有三个要素需要考虑：

1. 具有远端运动中心（RCM）的结构；

2. 尺寸小，提高便携性，减少机器人和手术器械以及病人的接触风险；

3. 具有重力补偿和反向传动能力；

图3. 折纸结构启发的手术机器人mini-RCM

折纸结构设计可以利用轻薄而坚硬的的薄片材料构建三维结构，满足设计者的需求。Mini-RCM手术机器人启发自“立体书”折纸结构，基于微型电子机械系统（MEMS）的原理设计。据研究者称，这款机器人仅仅重达2.4g，其中，机器人本体（连杆结构）重力约为1.2g，另外有三个超微型的直线驱动器，每个重量约为0.4g。真可谓“轻如鸿毛”，喜欢的话可以直接揣兜里带走！

可以看到，通过和真人大小的头部模型对比，这款手术机器人的尺寸微小精妙，仅有5cm x 7cm x 5cm见方。相比于其他一些现存的手术机器人，尺寸真的是mini-RCM的一大优势。

图4.Mini-RCM的尺寸——和头部模型对比

该手术机器人由三个微型的直线驱动器驱动，电源和控制信号通过远端设备进行传输。

图5. Mini-RCM的关键部件

研究者展示的微型线性驱动器，尺寸仅为28 mm × 7 mm × 3.6 mm，驱动原理为压电陶瓷的粘滑效应，步长可以去到0.5mm，速度可以去到15mm/s，最大输出力可达170mN。

图6. 微型直线驱动器

这款手术机器人这么小，它到底能做什么呢？我们赶快欣赏一下这款手术机器人精妙的展示。在本文的第二部分会向大家介绍这款机器人的设计原理。另外，文章末尾附有完整的视频和论文信息，感兴趣的读者不要错过喔！

图7. 机器人绕着远端旋转中心（RCM）运动

Mini-RCM的主体采用了并联机构设计，这种机构可以绕着一个远端固定点的进行旋转，该固定点被称为远端运动中心（RCM）。这种结构设计被广泛应用于微创手术机器人设计，以避免机器人在运动过程中对切口部位施加过多的力。

图8. Mini-RCM手术机器人的运动范围展示

Mini-RCM的另一个特点就是它的加工和制造比较方便，它的结构本体启发自一个我们生活中经常见到的折纸结构，立体书（pop-up book）。通过激光切割好所需要的形状以后，机器人的主体部位就可以根据既定的形状实现自主“装配”。

图9. “立体书”本体自主装配

利用机器人进行显微外科手术 *** 作有一个好处就是，可以通过电信号对机器人本身微小的行程进行放大，例如将1mm的机器人的运动放大到遥 *** 作设备上对应的1cm，这样的话可以极大的降低医生手术的难度，提升手术的稳定性和安全性。

图10.机器人运动的遥 *** 作

研究者们展示了一组对比实验，即用手跟踪0.5mm边长的正方形轨迹，和用mini-RCM绘制相同轨迹。可以看到，用手直接跟踪轨迹时，抖动非常明显，但是相比来说用mini-RCM绘制轨迹则要稳定的多。

图11.画0.5mm正方形——手动和机器人 *** 作对比

研究者展示了一个模拟的显微手术实验，用0.2mm直径的硅胶管模拟人眼球内“视网膜静脉”，对其进行显微插管实验。在显微镜下，通过安装于mini-RCM末端的针尖可以较为容易的实现插管 *** 作。

图12.显微外科手术模拟——0.2mm插管实验

2. 设计结构及其原理

为了实现远端中心运动（RCM），大多数手术机器人的采用并联机构设计或者是球关节串联机构设计。并联机构有着较为广泛的运动范围和简单直接的设计，但是并联机构包含有很多的节点，这使得传统的设计难以制造小尺度的并联机构。为了解决这一问题，研究者采用了一种巧妙的折纸结构：立体书结构（pop-up book），并且结合了微机电系统（MEMS）的设计和制造方式。

图13.机器人本体——折纸结构

Mini-RCM机器人的本体是由十多层不同材料叠加而成。通过激光切割可以直接切除所需要的形状，并且将不同层的形状粘连热压，就得到了机器人的主体部分。在关节处采用有一定d性的材料（例如聚酰亚胺），在支架部分采用刚性的硬材料（例如碳纤维）。

图14.多层材料热压成型

通过研究者的巧妙的结构设计，mini-RCM机器人在空间中有三个自由度，其中包括两个旋转自由度和一个平移自由度。

图15.机械结构简图

Mini-RCM机器人的运动范围展示如下图，分别是沿着远端旋转中心点的两个方向的旋转，以及平移运动。

图16.运动范围示意图

为了驱动如此细小的折纸结构，对于驱动器的设计也要满足微型化。研究者们采用了一种基于压电陶瓷粘滑效应（惯性效应）的直线驱动器，考虑到它的运动范围广，以及输出力重比较高。这种直线驱动器技术相对较为成熟可靠。通过实验测试，研究者设计的这款直线驱动器最大速度可以达到15mm/s左右，最大输出力约为150mN。

图17.微型直线驱动器设计原理

为了测量直线驱动器的位移信息，从而对其进行控制，研究者采用了常见的光电传感器的原理，即利用光电遮挡器来获取滑块的位置信息，这样的设计测量精度较高，大约为50微米，即0.05mm。

图18.直线驱动器传感

研究者用一个正弦的输入信号来控制线性驱动器，下图展示了直线驱动器的运动模块以正弦波做往复运动。

图19.正弦曲线往复运动

直线导轨的运动的分辨率（步长）为0.5mm每步。

图20.0.5mm步长运动

通过遥 *** 作的机构，一定程度可以放大直线驱动器的运动控制，从而让人手在 *** 作机器人时候变得更加容易。

图21.远程 *** 作导轨运动

在前面展示过的跟踪0.5mm正方形轨迹的实验中，手动跟踪轨迹的误差大约落在151.7微米左右，用mini-RCM进行轨迹跟踪的误差仅为47微米，把手术 *** 作的精确度提升了3倍多。

图22.手动直接 *** 作和机器人 *** 作对比

另外，mini-RCM的另一个优势就是当机器人的电力出问题时，可以轻易的用手移除，从而避免手术意外对于病人造成的伤害。

图23 断电手动移除机器人设备

3. 总结与展望

图24.模拟手术实验展示

可以看到，相比于传统结构的手术机器人，折纸结构启发设计的mini-RCM手术机器人有着尺寸小，精度高的特点。通过一些遥 *** 作的实验，mini-RCM展示了一些它在显微外科手术中应用的潜力。相比于手动直接 *** 作手术，借助于手术机器人可以放大手术 *** 作的尺度，从而实现高精度的 *** 作。

当然，作为第一代折纸显微外科手术机器人，更多程度上还是一个概念性的展示，如果要真正投入实用，还有很长的路要走。研究者指出，在未来，通过结构设计的优化，他们希望能够进一步提高mini-RCM的定位精确性和输出力，从而真正能够把它推向显微外科手术机器人市场。