這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

可食用折疊機器人膠囊以及可展開折疊裝置；照片：Melanie Gonick/MIT

MIT、謝菲爾德大學(xué)和東京工業(yè)大學(xué)的研究人員在醫(yī)療機器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，合作研發(fā)出了一種可食用折疊機器人。該機器人經(jīng)過患者消化道時可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

MIT計算機科學(xué)與人工智能實驗室（CSAIL）教授Daniela Rus博士表示，“最大的挑戰(zhàn)是如何構(gòu)建一種臨床安全且有能力的醫(yī)療機器人。解決這個問題需要尋找生物相容性材料、安全的體內(nèi)運輸方式、將機器人從藥丸形狀重新展開的方法，以及對機器人位置和功能的精確多模式控制。”

可食用折疊機器人概述

首先，將機器人折疊成折紙形狀，然后將其裝入27mm的冰囊中，讓患者服用。機器人藥丸穿過食道和胃之后，周圍的冰融化。

研發(fā)人員憑借超聲波、X射線和霍爾效應(yīng)傳感器的組合對機器人進(jìn)行地理定位。

機器人在這里展開。折疊機器人的運動方式有多種：基于摩擦的推進(jìn)（折疊形狀造成的結(jié)果）；胃液的水基推進(jìn)；以及磁場軌跡控制。

White Rose研究論文，利茲大學(xué)，Sheffield & York

機器人的三種運動方式

第一種運動是使用磁力。折疊機器人的一塊褶皺板內(nèi)嵌了一個長3.2mm的釹磁鐵。該磁鐵能夠?qū)w外磁場做出反應(yīng)，因此研發(fā)人員可以操縱機器人的軌跡。

遙控操縱桿能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁力，快速旋轉(zhuǎn)可以使機器人旋轉(zhuǎn)到位，但較慢的旋轉(zhuǎn)會讓機器人繞其中一個固定腳旋轉(zhuǎn)。

第二種運動就是研究人員所說的“粘滑”運動。褶皺板的形狀和結(jié)構(gòu)使得這種運動成為可能。機器人的邊緣通過摩擦力附著在一個表面上，當(dāng)其身體彎曲時，由于重量分布發(fā)生變化，機器人會自由滑動。

比如, “磁場施加在傳送器被驅(qū)動的方向上（圖中正x方向），在四個角度（Ψ, Ψ/2, ?Ψ/2和?Ψ；Ψ=1.1弧度是從水平面的角度）上振蕩，頻率為5Hz。施加這種交替磁場時，由于推力、前后形狀造成的不對稱摩擦力和自身不對稱質(zhì)量平衡等因素的組合作用，輸送者可以“向前行走”。”

研究人員估計，機器人80%的動作利用這種粘滑推進(jìn)力，其余20%利用來自胃液中的水推進(jìn)力。“因此，機身設(shè)計我們積極采用鰭片的概念和特征，您可以從相對扁平的設(shè)計中看出來，”研究團隊成員Shuhei Miyashita說道。

胃內(nèi)的“粘滑”運動

可食用折疊機器人的材料與機械學(xué)

該設(shè)備的功能與其形式和材料有著直接關(guān)系。

這些材料不僅需要具有生物相容性，還需要具有足夠的結(jié)構(gòu)完整性和剛度。材料必須能夠容納折疊褶皺，同時還要足夠剛性以產(chǎn)生粘滑運動所需的摩擦力。

最終，他們發(fā)現(xiàn)一種用做香腸腸衣的干豬腸材料非常成功。研究員李曙光說：“我們花了很多時間在亞洲市場和唐人街市場尋找材料。”整體結(jié)構(gòu)由三層組成：頂部和底部各一層外殼，中間包裹著一層生物鰭片（Biolefin）——一種可生物降解的收縮包裝，在加熱時會收縮。

然后通過一系列僅穿透外層的淺縫產(chǎn)生折疊模式。比如，當(dāng)僅在頂層制作一個切口時，中間層會收縮，并且將向下朝向底層折疊。

將機器人制作成可以吞下的小形狀很重要，然而折疊機器人展開的方式同樣重要。機器人設(shè)計需要利用作用在機器人上的胃力使得機器人自己展開。

為了實現(xiàn)正確的結(jié)構(gòu)和形狀，研究團隊通過多次試驗，最終獲得了一種矩形形狀，且沿著短軸方向伸出折疊褶皺，同時角折進(jìn)去，以便讓機器人增加牽引力。

可食用機器人的醫(yī)療應(yīng)用

研究團隊表示，美國每年約有3500名人吞下電池，該設(shè)備可以用來取出卡在消化道中的電池。為了取出卡在人體器官中的電池，研究小組利用機器人的嵌入式磁鐵將電池與胃壁分開，并將其帶到體外。

該團隊表示，該技術(shù)的未來潛在應(yīng)用包括：修復(fù)傷口；將藥物運送到目標(biāo)位置；或從體內(nèi)移除其他類型的異物等。

該機器人的最初原型于2016年開發(fā)，截至2017年仍然無法適用于人類。Rus 表示, “通常，完成體內(nèi)實驗并獲得批準(zhǔn)需要三年時間。從動物到人類可能還需要三年時間。成功治療人類可能至少需要六年時間。”

然而，這種可食用折疊機器人并不是折疊醫(yī)療機器人的唯一成果。哈佛醫(yī)療團隊正在研究類似方法，但是研發(fā)出的醫(yī)療折疊機器人卻完全不同。

以下視頻展示了MIT團隊的上一版折疊機器人如何為最新模型夯實基礎(chǔ)。

醫(yī)療機器人技術(shù)是個好主意嗎？

醫(yī)療保健微型機器人技術(shù)的概念并不新鮮。事實上，20世紀(jì)60年代的一部科幻電影神奇旅程就已經(jīng)預(yù)示了納米機器人在身體血管內(nèi)進(jìn)行微型冒險以去除凝塊的潛力。然而，對于許多機器人醫(yī)療設(shè)備，比如植入式起搏器和除顫器，人們真正擔(dān)心的是黑客獲取醫(yī)療設(shè)備的訪問權(quán)限。

諸如胃折疊機器人的醫(yī)療保健機器人的風(fēng)險因素要低得多，因為它們只是暫時停留在你的體內(nèi)。與手術(shù)或其他侵入性醫(yī)療程序相比，這些胃機器人裝置的影響要小得多。

此外，這些設(shè)備并不具備互聯(lián)網(wǎng)功能，目前依賴于材料、摩擦、磁性和有效傳輸系統(tǒng)的相對低保真機制。這種簡單性使其成為強大的原型。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機器人學(xué)教授Bradley Nelson表示：“這個概念具有高度創(chuàng)造性和高度實用性，以巧妙的方式滿足了臨床需求。這是我見過的最有說服力的折疊機器人應(yīng)用之一。”

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DevicePlus 編輯團隊

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審核編輯黃宇