近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院在磁控微米機(jī)器人導(dǎo)管領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種基于磁性螺旋形機(jī)器人的微機(jī)器人系統(tǒng)(Helixoft)，該系統(tǒng)可無縫集成至商用微導(dǎo)管中，首次在微米尺度實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程且無損的磁控可編程剛度調(diào)節(jié)，并兼具主動(dòng)轉(zhuǎn)向能力。
為應(yīng)對(duì)磁驅(qū)變剛導(dǎo)管在尺寸、安全性和遠(yuǎn)場(chǎng)操控方面的限制，Helixoft系統(tǒng)通過將剛性磁性螺旋結(jié)構(gòu)與柔性微管相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了磁響應(yīng)能力與機(jī)械順應(yīng)性的協(xié)同設(shè)計(jì)?；?ldquo;材料磁化—器件結(jié)構(gòu)—磁場(chǎng)模式”三位一體的設(shè)計(jì)框架，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種將磁驅(qū)螺旋運(yùn)動(dòng)與磁致彎曲相結(jié)合的解耦控制策略，在單一外部磁場(chǎng)作用下即可實(shí)現(xiàn)微導(dǎo)管剛度調(diào)節(jié)與主動(dòng)轉(zhuǎn)向的獨(dú)立遠(yuǎn)程控制。
該系統(tǒng)專為狹窄敏感的小腔道環(huán)境而設(shè)計(jì)，可集成至直徑小至300微米的商用微導(dǎo)管中，實(shí)現(xiàn)跨越40倍范圍的連續(xù)剛度調(diào)節(jié)。團(tuán)隊(duì)通過建立描述其力學(xué)行為的理論模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)Helixoft微導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的精確預(yù)測(cè)。此外，Helixoft微導(dǎo)管具備良好的功能擴(kuò)展性，不僅支持多節(jié)段分布式、相互獨(dú)立的剛度調(diào)節(jié)，還可集成微型攝像探頭、電極或激光光纖等模塊，為實(shí)時(shí)成像、組織消融和多模態(tài)微創(chuàng)介入操作提供支持。
在多例活體動(dòng)物支氣管模型中，研究團(tuán)隊(duì)在Helixoft系統(tǒng)中集成了微型成像器件，結(jié)合臨床影像設(shè)備與自主搭建的導(dǎo)管推進(jìn)機(jī)構(gòu)，開展了基于雙模態(tài)影像引導(dǎo)的磁控導(dǎo)航與靶向藥物轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)。通過血液炎癥反應(yīng)檢測(cè)和組織學(xué)分析等系統(tǒng)性評(píng)估，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在體內(nèi)應(yīng)用中的可行性與安全性。同時(shí)，還完成了輸卵管離體器官模型中精準(zhǔn)取樣演示。
Helixoft微機(jī)器人系統(tǒng)為微創(chuàng)介入器械提供了一種全新的“機(jī)器人賦能”技術(shù)范式。通過在單一外部磁場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)器械力學(xué)性能與運(yùn)動(dòng)形態(tài)的實(shí)時(shí)重構(gòu)，該系統(tǒng)有望突破傳統(tǒng)介入工具在復(fù)雜腔道環(huán)境中的操控瓶頸。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目等的支持。
具備磁驅(qū)遠(yuǎn)程變剛和主動(dòng)導(dǎo)航能力的Helixoft介入機(jī)器人導(dǎo)管
