小型連續(xù)體機器人憑借其能夠進(jìn)入狹窄腔體的能力,、微創(chuàng)和低感染風(fēng)險等優(yōu)勢，為體內(nèi)介入診斷和治療開辟了新的道路,。盡管小型連續(xù)體機器人帶來了小輪廓,、精確轉(zhuǎn)向和可視化治療的前景,，但同時具備這三個重要特征對于機器人來說仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，也就是所謂的“不可能三角”問題,。

近期,，香港科技大學(xué)（HKUST）工程學(xué)院申亞京教授研究團(tuán)隊開發(fā)了一種用于介入診斷和治療的磁驅(qū)光纖連續(xù)體機器人，展示了高精度控制和內(nèi)窺下多功能生物醫(yī)學(xué)操作能力,。這款連續(xù)體機器人不僅借助微納3D打印和磁噴涂技術(shù)實現(xiàn)了0.95mm的極小輪廓,，同時具有競爭力的成像性能，并將障礙物檢測距離提升至9.4mm左右,，比理論極限提高了十倍,。此外，該機器人具備出色的運動精度（小于30μm）,，并可通過掃描方式將成像區(qū)域擴大至光纖束固有視野的25倍,。在離體豬肺試驗中，該機器人進(jìn)一步驗證了其在受限通道（如肺部末端支氣管）導(dǎo)航和原位執(zhí)行多功能操作（包括采樣,、藥物輸送和激光消融）等方面的實用性,。通過克服現(xiàn)有連續(xù)體機器人在受限通道環(huán)境中執(zhí)行精確內(nèi)窺操作的局限性，該研究闡明了通過設(shè)計小型連續(xù)體機器人以進(jìn)入身體內(nèi)更具挑戰(zhàn)性區(qū)域的新潛力,，并拓寬了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,。

該工作以題為“Sub-millimeter fiberscopic robot with integrated maneuvering, imaging, and biomedical operation abilities”的論文發(fā)表在最新一期頂級綜合學(xué)科期刊《Nature Communications》上。博士后研究員張鐵山博士和李根博士為共同第一作者,。

本研究的整體概念如圖1所示,。圖1a示意了現(xiàn)有機器人所存在“不可能三角”關(guān)系。為了解決上述問題,，該團(tuán)隊提出了一種基于光纖的連續(xù)體機器人，其具有亞毫米級輪廓,，可以執(zhí)行高精度運動并在原位進(jìn)行多功能操作,，能夠輕松介入體內(nèi)一系列受約束的通道環(huán)境，例如肺部末端支氣管區(qū)域（圖1b）。這項工作著重探索了纖維內(nèi)窺機器人的集成設(shè)計和小型化制造方法,，實物如圖1c所示,。該團(tuán)隊開發(fā)的纖維內(nèi)窺機器人主要由用于成像的光纖陣列、實施治療的定制工具,、部署光纖/工具的中空骨架和用于控制的功能化皮膚組成,。

基于中心光纖傳像束和幾根環(huán)形布置的光導(dǎo)纖維，此機器人能展現(xiàn)較好的原位成像能力,，可用于疾病診斷,。此外，通過嵌入激光光纖或微管,，可實現(xiàn)激光或流體藥物輸送到病理靶點,，進(jìn)行可視化治療。而為了精確控制探頭的運動,，團(tuán)隊提出了功能化皮膚的策略,。首先，團(tuán)隊使用磁噴涂技術(shù),，將一層磁性彈性體覆蓋在表面,，使探頭在磁場下具有主動轉(zhuǎn)向能力，這種加工方法幾乎不增加其輪廓尺寸,。然后,，團(tuán)隊在機器人身體的外表面上進(jìn)一步涂覆一層水凝膠皮膚，增加親水性,，從而減少介入手術(shù)過程中的潛在摩擦,。該機器人前端探頭的詳細(xì)結(jié)構(gòu)以及功能如圖1d所示。

圖1. 具有成像,、操縱和醫(yī)療操作能力的基于光纖的亞毫米連續(xù)體機器人,。

其中亞毫米空心骨架是通過摩方精密nanoArch® S140（精度：10μm）3D打印系統(tǒng)制備而成，設(shè)計的骨架結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)比較如下,。

表1.空心骨架結(jié)構(gòu)尺寸,。

圖2.骨架結(jié)構(gòu)比較。

為了探索纖維內(nèi)窺機器人的成像性能以及輔助導(dǎo)航功能,，該團(tuán)隊設(shè)計了相應(yīng)的內(nèi)窺成像光學(xué)系統(tǒng),，如圖3a所示。通過建立光路的虛擬直射模型,，分析了該探頭的光路傳輸分布情況（圖3b）,。理論計算（圖3c）以及實驗測量（圖3d）顯示出較高的吻合度，均表明隨著距離ds的增加,，所接收到的光通量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,，且峰值出現(xiàn)在距離探頭約1mm處,；此外，接收的光通量還隨著偏移量dr的增加而增加,，直到dr=0.225mm（光纖束的半徑）,，之后保持穩(wěn)定。其中,，接收的光通量峰值代表了后端相機的過曝狀態(tài),，也即是說明了最大的清晰成像區(qū)域應(yīng)在該距離以內(nèi)。而在成像區(qū)域內(nèi),，所提出的內(nèi)窺成像系統(tǒng)可以清晰地捕獲物體,，例如大小約為250μm的數(shù)字符號“5”，如圖3a所示,。

為了實現(xiàn)有效和安全的導(dǎo)航,，具備在超過理論最大成像距離（1mm）更遠(yuǎn)的區(qū)域進(jìn)行探索的能力至關(guān)重要，其可用于提前識別分叉和障礙物,，從而做出正確決策（進(jìn)入或繞過）,。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊提出了一種基于強度分布的環(huán)境探索策略,。如圖3e所示,，當(dāng)一個物體偏移放置在前面時，通過中心光纖束收集的光強在內(nèi)窺視圖內(nèi)的不同象限是有區(qū)別的,，即如果物體位于這個象限,，強度會更高，而如果前方無遮擋,，強度則會更低,。因此，即使沒有清晰的圖像,，研究實驗也可以將收集到的各象限內(nèi)光強度作為預(yù)測環(huán)境的參數(shù),。通過分析四個象限內(nèi)各自的光強度和相應(yīng)歸一化值的變化，不僅可以識別前方是否有障礙物,，還可以估計其相對于探頭的相對方向,。實驗結(jié)果表明，此策略能實現(xiàn)將模糊障礙物檢測距離擴大約10倍,，達(dá)到約9.4mm（圖3f）,。

圖3. 纖維內(nèi)窺機器人的成像系統(tǒng)特征。

為了實現(xiàn)纖維內(nèi)窺機器人的主動控制,，研究團(tuán)隊提出了兩段式磁控策略以獲得復(fù)雜通道環(huán)境中的大角度導(dǎo)向和病理區(qū)域高精度定位的復(fù)合性能,。如圖4a所示，連續(xù)體機器人的運動由兩組磁驅(qū)系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)節(jié),，即磁性軟鞘和磁驅(qū)探頭,。前者由永磁體驅(qū)動以實現(xiàn)較大的運動范圍,，后者由三自由度（3DOF）亥姆霍茲線圈驅(qū)動以實現(xiàn)高精度。如圖4c,、d和e所示，該團(tuán)隊通過三種典型的測試軌跡,，即正方形,、圓形和螺旋形，驗證了其在3D空間中的運動精度約為30μm,。高精度的運動能力使機器人能夠突破傳統(tǒng)傳像纖維束固有的視覺限制,。如圖4f所示，利用磁性探頭的高定位精度,，可以準(zhǔn)確預(yù)測探頭視圖在每幀中的位置,。通過設(shè)計掃描軌跡，在無縫拼接圖像后,，可以在更大的視野中獲得樣本的完整信息,。該團(tuán)隊以一個直徑約為3.0mm的紫荊花圖案為例（圖4f），通過對其中一片葉子進(jìn)行掃描成像,，清晰地展示了葉子的完整圖像（圖4g）,。該掃描效果展現(xiàn)了成像區(qū)域的顯著擴展，比光纖束的固有視野增加了約25倍,。

圖4. 纖維內(nèi)窺機器人的高精度操縱,。

此外，為了證明所提出的機器人系統(tǒng)在腔道環(huán)境內(nèi)的磁導(dǎo)航和成像能力,，團(tuán)隊打印了一個1:1的透明支氣管樹模型并進(jìn)行了介入實驗（圖4h）,。如圖4i所示，在后端推進(jìn)機構(gòu)和外加梯度磁場的配合下,，該體機器人可成功穿越分叉環(huán)境到達(dá)成像目標(biāo)區(qū)域并執(zhí)行原位成像任務(wù)（圖4i-2展示了掃描所得邊長為200μm的網(wǎng)格圖案）,。然后，機器人被引導(dǎo)至右支氣管通道,，并最終到達(dá)末端支氣管找到血栓（紅色凝塊）,。

本研究集小尺寸、主動轉(zhuǎn)向和成像能力為一體,，有望促進(jìn)狹窄通道疾病的早期有效診斷和治療,，例如肺端支氣管疾病。為了證明這一點,，該團(tuán)隊通過在預(yù)設(shè)的微尺度功能腔搭載不同的醫(yī)療工具（例如激光光纖,、微管等），利用豬肺模型進(jìn)行了一系列離體實驗,，包括采樣,、藥物輸送和激光消融等任務(wù)（圖5a）,。通過DSA圖像，該團(tuán)隊首先證實了探頭能成功進(jìn)入內(nèi)徑約為1.0mm的末端支氣管,。此外,，探頭在介入過程中檢測到支氣管內(nèi)存在小氣泡（圖5b-2）。通過搭載的微管進(jìn)行負(fù)壓抽吸收集了對應(yīng)的液體樣本,，其在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)了明顯的粘性特征和許多微米級氣泡（圖5b-3）,。其后，該團(tuán)隊演示了藥物遞送過程（圖5c）,。通過將液體藥物（以高錳酸鉀溶液為例）輸送至探頭前端,，可在解剖后的支氣管末端內(nèi)表面清晰觀察到棕色藥物（圖5c-4）。再者,，該團(tuán)隊利用搭載的激光光纖演示了激光燒蝕過程（圖5d）,，經(jīng)過遞送激光的高能量燒蝕，末端支氣管內(nèi)表面能清晰看到一個直徑約為300μm的小疤痕（圖5d-4）,，從而證實了激光消融在狹窄通道中的療效,。最后，為了進(jìn)一步驗證所述結(jié)果,，該團(tuán)隊對治療過的支氣管組織進(jìn)行了病理切片實驗,。H&E染色結(jié)果顯示，正常支氣管結(jié)構(gòu)與藥物輸送和激光消融區(qū)域之間存在顯著差異（圖5e）,。

圖5. 纖維內(nèi)窺機器人在離體豬肺模型中的功能演示,。

總結(jié)：該研究開發(fā)了一種亞毫米纖維內(nèi)窺機器人，成功克服了小輪廓,、高精度控制和功能操作之間的明顯沖突,。為了實現(xiàn)所需的小輪廓，該研究采用光纖陣列作為核心元件,，并利用微納3D打印技術(shù)制造探頭的骨架,。為了實現(xiàn)高精度、大范圍地控制探頭,，該研究利用磁噴霧技術(shù)為機器人覆蓋了磁性皮膚,，并提出了一種兩段式磁致動策略。最后,，為了滿足原位功能性手術(shù)的要求,，該研究在探頭內(nèi)為各種手術(shù)工具預(yù)設(shè)了一個功能性腔道。利用機器人的上述三方面功能,，該研究最終實現(xiàn)了在肺支氣管樹模型內(nèi)的成功導(dǎo)航,，并在尺寸約為1.0mm的離體豬肺末端支氣管內(nèi)展示了多種原位手術(shù)操作。這項工作有望為臨床手術(shù)機器人的發(fā)展提供關(guān)鍵的解決方案,，旨在實現(xiàn)對身體內(nèi)部受限區(qū)域的早期診斷和治療,，從而進(jìn)一步提升其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的強大潛力,。