仅不到35元！中美研发全球首个用于内镜下球囊扩张术的软体机器人登《Soft Robotics》

大数据文摘转载自机器人大讲堂

“在治疗疾病时，怎样才将创伤降到最小呢？”软体机器人：这道题我会！

微型软体机器人尺寸小、运动灵活、环境适应能力强。在临床医疗领域，微创手术、靶向药物输送等操作都离不开它们，它们是能进入人体内的“外科医生”，也是在血管内精准送药的“快递员”。

全球首个用于内镜下球囊扩张术的软体机器人

最近，在经自然腔道介入医疗领域中，又出现了“微型外科医生”的身影：中国科学院与哈佛医学院的科研人员将球囊扩张术与软体机器人技术结合，开发了全球首个用于内窥镜检查和球囊扩张的软体机器人！

这个机器人可以推动自己在气道内移动、转弯，并进行扩张治疗。

内窥镜下球囊扩张术是指在内镜引导下将球囊送至腔内狭窄处，进行扩张狭窄管腔的治疗方法，一般用于治疗气道、食管等部位的各种良性狭窄。

虽然这种治疗手段已经很成熟，但还面临一些挑战：内窥镜需保持距离狭窄组织一定距离以提供视野，但球囊却要深入腔道，越过内窥镜而抵达狭窄组织。此时，球囊导管会阻断内窥镜视野，遮挡组织的位置，如果患处位于狭窄角落，例如肺闭塞等，会进一步增加可视化球囊定位、监测扩张和检查扩张组织的难度。

为解决这个问题，中科院开发了这款可伸缩软体机器人，它自带驱动气囊和用于治疗的扩张球囊，可自发地在人体腔体内移动并转弯，移动速度可达3mm/s。同时它还装有摄像头，来充当医生的“脑”和“眼”：

机器人是如何做到的？

机器人包括头、身体和尾巴，均由球囊组成；其中头和尾巴的球囊用于径向扩张以产生牵引力，头腔内装有微型摄像头；头尾的结构是环形的，管内腔开放，这种结构既方便呼吸，又为成像系统提供了一条通道。

头尾之间的身体是机器人运动的主要驱动来源，身体由三个气囊组成，内部带有螺旋线圈：

通过PS2游戏控制器协调各个气囊的充气/放气序列，从而产生正负压差：

使用正压时，膨胀的气囊抵抗弯曲和屈曲，气囊产生线性伸长；减压时，气囊产生线性收缩。而需转弯时，并联球囊选择性冲/放气，使身体弯曲。因此，机器人可在3D环境中转弯，向前、向后运动。

这项研究的特别之处在于，不同于其它软机器人通常由硅胶等弹性材料制成，内窥镜机器人使用了无弹性的塑料薄膜建造，这样做有几点好处：除价格便宜外，这种材料在膨胀时不会被拉伸，因此机器人的头、身体、尾部的多个气囊在较低的充气压力下可以发生相同的体积变化，而且也可以更快的填充和清空气体，让机器人行走得更快。

疗效如何？先在猪气管中做实验

随后，科学家们在猪的支气管中进行了机器人体外实验，机器人的任务是到达小猪支气管的特定位置进行球囊扩张治疗。在实际医疗中，这可以缓解肺移植后可能发生的阻塞。

机器人被放置在猪的气管内，通过摄像头与控制器的导航，成功进入了左右侧下肺叶支气管，在每个支气管内，机器人又继续被导航到其远端分支的位置，最终成功完成任务。

在最小直径尺寸在11-12mm之间的体外猪气管中，机器人的速度也超过了3 mm/sec，研究人员表示，如果在更粗的管腔内，可以达到更高的移动速度。

在进行运动实验前后，科学家们检查了猪的体外气管组织，没有发现任何损伤；在驱动球囊收缩时，组织也没有产生挤压。

这种内窥镜软体机器人的设计能够消除因组合使用医疗器械而产生的视觉遮挡问题，它还能提供观察转角的能力，这是目前在气道中最常用的直刚性内窥镜无法实现的。另外，这种设备也足够便宜（仅不到35元人民币），可以作为一次性设备使用，同时还能适应不同的管腔内径。

这篇文章发表在《Soft Robotics》期刊中，标题为“A Soft Robotic Balloon Endoscope for Airway Procedures”。在论文的结尾，作者表示，未来会进一步进行动物体内导航实验，这样可以更好的评估机器人和气道组织之间相互作用的安全性。

论文链接：

https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2020.0161