摘要：据相关研究显示，该类机器人已在多种疾病治疗中得以应用，范围涵盖心脏病治疗（如放置支架或电生理导管）、单孔腹腔镜修补胃及十二指肠溃疡穿孔、经自然腔道内镜手术（NOTES）治疗上颌窦疾病，以及通过全脑血管造影诊断脑血管病等。
在医疗领域，小型连续体机器人因其能进入狭窄腔体、所致创口小、恢复迅速且感染风险低，为体内介入诊疗提供了新选择。
据相关研究显示，该类机器人已在多种疾病治疗中得以应用，范围涵盖心脏病治疗（如放置支架或电生理导管）、单孔腹腔镜修补胃及十二指肠溃疡穿孔、经自然腔道内镜手术（NOTES）治疗上颌窦疾病，以及通过全脑血管造影诊断脑血管病等。
外形小巧、操控精准、治疗可视化被公认为是小型连续体机器人得以广泛应用的三大关键优势。然而，就目前的技术发展现状而言，要同时实现这三个重要指标，仍然面临着极大的挑战。业内专家指出，由于技术上的相互制约和限制，使得在现有条件下，很难打造出同时具备外形小巧、操控精准和治疗可视化的小型连续体机器人。因此，这一难题也被业界称为“不可能三角”。
▍打破“不可能三角”，提出亚毫米连续体机器人
为打破这一“不可能三角”，来自香港科技大学、香港城市大学、深圳大学和中国科学院深圳先进技术研究院的研究人员对此进行了深入研究，并提出了一种基于光纤的连续体机器人，该机器人在亚毫米级尺度集成了成像、高精度运动和多功能操作能力，能够进入肺支气管等体内受限的通道环境。
同时，研究团队也初步规划了机器人的一体化设计和小型化制造方案。通过采用微尺度3D打印和磁力喷涂技术，研究团队成功实现了直径0.95毫米的纤薄探针外形，并赋予其磁响应特性。
亚毫米光纤连续体机器人概览
此外，研究团队对探头的成像和视距外导航特性也进行了验证。结果显示，该机器人不仅具备高清晰度的成像能力，还将障碍物检测距离扩展到了约9.4毫米，这一数值比理论极限提高了整整十倍。在运动精度方面，机器人也表现出色，其运动精度小于30微米，可确保在实际操作过程中的稳定性和准确性。同时，机器人的成像区域也得到了大幅加宽，将固有视野扩大了约25倍，为医生提供了更广阔的视野和更准确的诊断信息。
通过体外猪模型实验，研究团队就机器人在肺部末端支气管等受限通道中导航以及执行包括采样、药物输送和激光消融在内的多功能操作的实用性进行了验证。这一研究成果不仅为小型连续体机器人的设计提供了新的思路，更有望使机器人进入身体中更多难以到达的区域，并拓展其在生物医学领域的广泛应用前景。
前不久，该研究成果的相关论文已以“Sub-millimeter fiberscopic robot with integrated maneuvering, imaging, and biomedical operation abilities”为题发表在《Nature Communications》上。论文第一作者为香港科技大学张铁山和李根。共同作者包括香港科技大学杨雄、谭蓉、赵浩翔；香港城市大学任豪、唐一峰、郭栋；深圳大学/中国科学院深圳先进技术研究院 (SIAT)尚万峰。通讯作者为香港科技大学申亚京教授。
▍亚毫米机器人探头的设计与制作
尽管连续体机器人技术已经采用了多种驱动方法实现主动转向，并且在末端集成摄像头和手术工具，能够执行多种功能任务，但受摄像头尺寸和制造技术的限制，保持亚毫米级轮廓对于连续体机器人来说是一个难题。这使得它们难以进入体内直径小于2.0毫米的狭窄病理区域，如肺部末端支气管和输卵管等。
为解决这一问题，此前曾有科研人员设计了基于磁性聚合物的导丝和液压驱动的微导管等具备亚毫米级轮廓的设计。然而，这些设计在功能上做出了牺牲，缺乏集成的视觉和手术工具，因此无法对病变进行原位诊断和治疗。
光纤探头因其极小的尺寸在成像和手术功能方面展现出了一定的潜力，但将成像和手术功能集成在光纤探头内仍面临制造技术上的挑战。同时，光纤本身不具备主动转向能力，这限制了其在复杂环境中的应用。虽然引入连续体机器人可以提高光纤探头的机动性，但其尺寸也会因此增加，使得其难以进入狭窄的病理区域。
磁性连续体机器人制造过程示意图
研究团队提出的亚毫米探头主要由用于成像的光纤阵列、用于部署光纤的空心骨架和用于控制的功能化皮肤组成。为了实现小型化设计，研究团队利用微尺度3D打印技术，制作了外径约为0.75毫米的亚毫米空心骨架，用于部署光纤阵列。
在精确控制方面，研究团队提出了功能化皮肤的策略。首先，他们采用磁喷雾技术在探头表面覆盖了一层厚度约为0.075毫米的磁性弹性体，使探头在磁场下具有主动转向能力，同时几乎不增加其轮廓。随后，在机器人身体的外表面进一步涂覆了一层厚度约为0.025毫米的水凝胶皮肤，创造了亲水特性，以减少介入过程中的潜在摩擦。
为了实现探头的功能化，研究团队对空心骨架进行了优化，部署了不同类型的光纤和微管，用于成像和可视化治疗。通过中心光纤束和多条环形部署的导光纤维，可实现原位成像，用于疾病诊断。同时，通过嵌入激光光纤或微管，可将激光或流体药物输送到病理目标，进行可视化治疗。
探头的设计和特性
在成像方面，研究团队通过优化探头的布局，获得了较大的成像面积。他们发现，将光纤束布置在中央，并将导光光纤分布在其周围，可以有效提高成像质量。然而，由于光纤的发散/接受角较小，有效成像区域通常比理论成像区域小得多。为了解决这个问题，研究团队提出了一种替代策略，通过优化探头的布局和借助磁场的局部扫描和拼接方法，捕获比探测视图大几倍的目标图像。
此外，研究团队还探究了照明光纤数量对有效投影面积的影响。他们发现，随着照明光纤数量的增加，有效投影面积会相应增加，但当光纤数量大于三时，嵌入更多光导纤维的益处有限。
同时，考虑到探头的机械强度和工作可靠性，研究团队最终设计了4个周边孔，由3个沿周向均匀排列的导光纤维孔和1个功能工具孔组成，实现了同时成像和治疗。
▍成像光学系统的设计与制作
连续体机器人成像光学系统由医用冷光源、光纤耦合器、相机、物镜及探头等核心部件构成。其中，光纤耦合器采用一进三出的设计，能够确保光源均匀分配到内嵌的三根导光光纤中。物镜则采用了20倍放大设计，旨在增强从光纤束传来的光信息的放大效果和准直性，以优化与相机的耦合效率。
为了满足20倍镜头在成像路径中的灵活调整需求，系统还配备了四自由度（XYZ-θ）可调底座，并预留了功能通道，以便根据特定治疗需求进行定制集成。这一设计不仅提升了光学系统的耦合效果，还实现了对病理区域的原位成像与治疗功能。
为了深入研究探头的光传输特性，研究团队建立了探头的虚拟直接辐射模型，并系统分析了距离（ds）和偏移量（dr）对光强分布的影响。研究结果显示，随着距离的增加，光通量呈现先增后减的趋势，峰值出现在距探头尖端约1毫米处。同时，光通量随偏移量的增加而增加，直至达到0.225毫米（即光纤束的半径）后保持稳定。
成像系统的特性
为了验证这一理论，团队设计了一个测试系统，通过可移动平台固定反射板，并使用XYZ-θ可调节底座固定探头，对不同ds和dr下的光强度进行了评估。实验结果与理论分析高度一致，进一步证实了峰值强度出现在距探头尖端约1毫米处，因此，清晰成像的最大区域预计在此距离内。
值得注意的是，在成像区域内，研究团队所提出的成像系统能够清晰捕捉到如尺寸约为250微米的数字符号“5”等细微物体，这表明其具备高分辨率成像能力。然而，在实际应用中，仅依靠理论最大成像距离（1毫米）进行导航是远远不够的。
为了提升系统在更远距离上的探索能力，研究团队提出了一种基于强度分布的环境探索策略，成功将模糊障碍物检测距离延长至约9.4毫米。当物体偏移放置在前方时，通过中心光纤束收集到的光强度会发生变化。具体而言，如果物体位于某个象限，则该象限的强度会相对较高；而如果前方有自由通道，则强度会较低。利用这一特性，即使在没有清晰图像的情况下，系统也能根据收集到的强度参数预测周围环境。
为了验证这一策略的有效性，研究团队将内窥镜视图分为左上（TL）、右上（TR）、左下（BL）和右下（BR）四个象限，并通过分析四个象限中的单独强度及相应的归一化值变化，不仅成功识别了前方的障碍物，还准确估计了其相对于探测器的相对方向。例如，当一个物体横向偏移0.5毫米、距离探测器约9.4毫米时，系统仍能准确判断其大致方向为左上象限。
▍高精度定位、图像扫描与拼接的实现
连续体机器人的高精度运动主要通过磁鞘和磁探针两套磁驱动系统调控。
其中，磁鞘由永磁体驱动，能够实现较大的运动范围；而磁探针则由三自由度（3DOF）亥姆霍兹线圈驱动，具备较高的运动精度。当磁鞘置于外部磁体产生的梯度磁场内时，其会沿轴向产生感应磁化，从而受到磁力和磁扭矩的作用，使鞘尖端弯曲导向磁源。通过控制施加在磁鞘上的梯度磁场，可以有效调控鞘尖端的位置和方向。而磁探针在工作空间中仅受到磁扭矩的影响，通过调节施加到每个线圈的动态电流，可以精确控制探针尖端的运动轨迹。
连续体机器人的高精度机动
为了评估该系统的运动精度，研究团队首先测试了磁鞘层的运动。结果表明，探针尖端位置和方向的均方根误差（RMSE）分别约为0.25毫米和2.2度，验证了连续体机器人在密闭通道环境中执行导航的潜力。为了进一步评估探针尖端的运动精度，团队在亥姆霍兹线圈系统内建立了一个正交视角记录系统，实验结果显示，探针能够精确遵循线性轨迹，RMSE小于20微米。此外，团队还设计了正方形、圆形和螺旋形三种典型轨迹进行测试，结果证实，即使在最不利的情况下，综合RMSE也能保持在30微米左右。
凭借高精度的运动能力，该机器人系统突破了传统纤维束成像所固有的视觉限制。利用磁探头的高定位精度（小于30微米），可以准确预测探头视图在每一帧中的位置。通过设计扫描轨迹，如阿基米德螺旋轨迹，以实现更高的扫描效率，并在图像无缝拼接后获得更大视图中样品的完整信息。例如，在对一个直径约为3.0毫米的紫荆花图案进行成像时，通过对其中一片叶子进行成像，成功拼接出了叶子的完整图像，RMSE小于9个像素。这意味着成像区域相比原始光纤束的观看能力增加了约25倍，为克服有限成像区域的限制提供了新途径。
为了证明该机器人系统的磁导航和成像能力，研究团队制作了一个1:1透明支气管树模型进行介入实验。在实验中，连续体机器人在后端推进平台和施加的梯度磁场的配合下，成功通过分叉点，并到达成像目标执行原位成像任务。随后，机器人被引导至右侧支气管通道，并最终到达末端支气管并找到血栓。这一实验结果充分展示了该机器人系统在复杂环境中的导航和成像能力。
▍连续体机器人实用性试验测试
研究团队提出的连续体机器人不仅尺寸小巧，而且兼具主动转向与成像能力，有望实现肺部末端支气管等狭窄通道内难以触及的疾病的早期有效诊断和治疗。为了验证其多功能性，研究团队在一系列体外/离体实验中，使用打印的支气管树模型和猪肺模型，成功演示了采样、药物输送和激光消融等任务。
该连续体机器人的探头尖端设计独特，能够将直径约为130微米的功能通道整合到探头壁中，同时尽量减少对其机械完整性的损害。这一策略实现了定制手术器械的无缝集成，满足了各种治疗需求。在整个实验过程中，团队采用数字减影血管造影术（DSA）来监测探头的位置和运动。
连续体机器人在离体猪模型中的功能演示
在液体活检方面，由于传统仪器体积较大，难以在直径较小的窄通道内进行采样。为了解决这个问题，研究团队将一个微管纳入探针的功能通道，并建立了一个专用的抽吸泵送子系统。实验结果显示，探头尖端成功进入末端支气管，并收集到了约7.0微升的液体。在光学显微镜下观察，液体呈现出粘稠特性，并包裹着大量微米级气泡，这在临床上可作为识别某些肺部疾病早期病理症状的一种手段。
在靶向给药方面，该连续体机器人也展现出了高效、精准的治疗策略。通过在探头内集成微管并改进泵送子系统，引入压力传感器以监测和避免过大的压力，液体药物可以有效地从注射器泵送到探头尖端。实验中，团队成功将高锰酸钾溶液输送至末端支气管内表面，为未来的实际环境中的药物治疗提供了有力支持。
此外，研究团队还使用该连续体机器人成功演示了激光消融过程。他们将激光光纤集成到探头的功能通道中，并建立相应的激光子系统。在实验中，激光源启动约15分钟后，解剖检查发现支气管内表面有一个直径约为300微米的小疤痕，从而证实了激光消融在狭窄通道中的有效性。
为了进一步验证结果，研究团队对治疗后的支气管组织进行了病理切片实验。H&E染色结果显示，正常支气管结构与药物输送和激光消融区域有明显区别。药物输送后，内皮皱纹增多、沟壑加深，提示高锰酸钾溶液的氧化作用；而激光照射后内皮更光滑，碎片可见，提示高能激光对组织造成了损伤。
以上试验结果表明，这款具备集成定制功能的亚毫米探头拥有对病理组织（如肺末端支气管区域）进行原位诊断和治疗干预的巨大潜力。其多功能性和精确性使其成为一种有前途的早期检测和治疗工具，并有可能在难以进入的通道环境中彻底改变各种疾病的管理方式。
来源：机器人大讲堂一点号
