摘要：小型连续体机器人凭借其能够进入狭窄腔体的能力、微创和低感染风险等优势，为体内介入诊断和治疗开辟了新的道路。尽管小型连续体机器人带来了小轮廓、精确转向和可视化治疗的前景，但同时具备这三个重要特征对于机器人来说仍然是一个巨大的挑战，也就是所谓的“不可能三角”问题。

小型连续体机器人凭借其能够进入狭窄腔体的能力、微创和低感染风险等优势，为体内介入诊断和治疗开辟了新的道路。尽管小型连续体机器人带来了小轮廓、精确转向和可视化治疗的前景，但同时具备这三个重要特征对于机器人来说仍然是一个巨大的挑战，也就是所谓的“不可能三角”问题。

近期，香港科技大学（HKUST）工程学院申亚京教授研究团队开发了一种用于介入诊断和治疗的磁驱光纤连续体机器人，展示了高精度控制和内窥下多功能生物医学操作能力。这款连续体机器人不仅借助微纳3D打印和磁喷涂技术实现了0.95mm的极小轮廓，同时具有竞争力的成像性能，并将障碍物检测距离提升至9.4mm左右，比理论极限提高了十倍。此外，该机器人具备出色的运动精度（小于30μm），并可通过扫描方式将成像区域扩大至光纤束固有视野的25倍。在离体猪肺试验中，该机器人进一步验证了其在受限通道（如肺部末端支气管）导航和原位执行多功能操作（包括采样、药物输送和激光消融）等方面的实用性。通过克服现有连续体机器人在受限通道环境中执行精确内窥操作的局限性，该研究阐明了通过设计小型连续体机器人以进入身体内更具挑战性区域的新潜力，并拓宽了其在生物医学领域的应用潜力。

该工作以题为“Sub-millimeter fiberscopic robot with integrated maneuvering, imaging, and biomedical operation abilities”的论文发表在最新一期顶级综合学科期刊《Nature Communications》上。博士后研究员张铁山博士和李根博士为共同第一作者。

本研究的整体概念如图1所示。图1a示意了现有机器人所存在“不可能三角”关系。为了解决上述问题，该团队提出了一种基于光纤的连续体机器人，其具有亚毫米级轮廓，可以执行高精度运动并在原位进行多功能操作，能够轻松介入体内一系列受约束的通道环境，例如肺部末端支气管区域（图1b）。这项工作着重探索了纤维内窥机器人的集成设计和小型化制造方法，实物如图1c所示。该团队开发的纤维内窥机器人主要由用于成像的光纤阵列、实施治疗的定制工具、部署光纤/工具的中空骨架和用于控制的功能化皮肤组成。

基于中心光纤传像束和几根环形布置的光导纤维，此机器人能展现较好的原位成像能力，可用于疾病诊断。此外，通过嵌入激光光纤或微管，可实现激光或流体药物输送到病理靶点，进行可视化治疗。而为了精确控制探头的运动，团队提出了功能化皮肤的策略。首先，团队使用磁喷涂技术，将一层磁性弹性体覆盖在表面，使探头在磁场下具有主动转向能力，这种加工方法几乎不增加其轮廓尺寸。然后，团队在机器人身体的外表面上进一步涂覆一层水凝胶皮肤，增加亲水性，从而减少介入手术过程中的潜在摩擦。该机器人前端探头的详细结构以及功能如图1d所示。

图1. 具有成像、操纵和医疗操作能力的基于光纤的亚毫米连续体机器人。

其中亚毫米空心骨架是通过摩方精密nanoArch® S140（精度：10μm）3D打印系统制备而成，设计的骨架结构尺寸和结构比较如下。

表1.空心骨架结构尺寸。

图2.骨架结构比较。

为了探索纤维内窥机器人的成像性能以及辅助导航功能，该团队设计了相应的内窥成像光学系统，如图3a所示。通过建立光路的虚拟直射模型，分析了该探头的光路传输分布情况（图3b）。理论计算（图3c）以及实验测量（图3d）显示出较高的吻合度，均表明随着距离ds的增加，所接收到的光通量呈现先增加后减少的趋势，且峰值出现在距离探头尖端约1mm处；此外，接收的光通量还随着偏移量dr的增加而增加，直到dr=0.225mm（光纤束的半径），之后保持稳定。其中，接收的光通量峰值代表了后端相机的完全过曝状态，也即是说明了最大的清晰成像区域应在该距离以内。而在成像区域内，所提出的内窥成像系统可以清晰地捕获物体，例如大小约为250μm的数字符号“5”，如图3a所示。

为了实现有效和安全的导航，具备在超过理论最大成像距离（1mm）更远的区域进行探索的能力至关重要，其可用于提前识别分叉和障碍物，从而做出正确决策（进入或绕过）。为了应对这一挑战，研究团队提出了一种基于强度分布的环境探索策略。如图3e所示，当一个物体偏移放置在前面时，通过中心光纤束收集的光强在内窥视图内的不同象限是有区别的，即如果物体位于这个象限，强度会更高，而如果前方无遮挡，强度则会更低。因此，即使没有清晰的图像，研究实验也可以将收集到的各象限内光强度作为预测环境的参数。通过分析四个象限内各自的光强度和相应归一化值的变化，不仅可以识别前方是否有障碍物，还可以估计其相对于探头的相对方向。实验结果表明，此策略能实现将模糊障碍物检测距离扩大约10倍，达到约9.4mm（图3f）。

图3. 纤维内窥机器人的成像系统特征。

为了实现纤维内窥机器人的主动控制，研究团队提出了两段式磁控策略以获得复杂通道环境中的大角度导向和病理区域高精度定位的复合性能。如图4a所示，连续体机器人的运动由两组磁驱系统来进行调节，即磁性软鞘和磁驱探头。前者由永磁体驱动以实现较大的运动范围，后者由三自由度（3DOF）亥姆霍兹线圈驱动以实现高精度。如图4c、d和e所示，该团队通过三种典型的测试轨迹，即正方形、圆形和螺旋形，验证了其在3D空间中的运动精度约为30μm。高精度的运动能力使机器人能够突破传统传像纤维束固有的视觉限制。如图4f所示，利用磁性探头的高定位精度，可以准确预测探头视图在每帧中的位置。通过设计扫描轨迹，在无缝拼接图像后，可以在更大的视野中获得样本的完整信息。该团队以一个直径约为3.0mm的紫荆花图案为例（图4f），通过对其中一片叶子进行扫描成像，清晰地展示了叶子的完整图像（图4g）。该扫描效果展现了成像区域的显著扩展，比光纤束的固有视野增加了约25倍。

图4. 纤维内窥机器人的高精度操纵。

此外，为了证明所提出的机器人系统在腔道环境内的磁导航和成像能力，团队打印了一个1:1的透明支气管树模型并进行了介入实验（图4h）。如图4i所示，在后端推进机构和外加梯度磁场的配合下，该体机器人可成功穿越分叉环境到达成像目标区域并执行原位成像任务（图4i-2展示了扫描所得边长为200μm的网格图案）。然后，机器人被引导至右支气管通道，并最终到达末端支气管找到血栓（红色凝块）。

本研究集小尺寸、主动转向和成像能力为一体，有望促进狭窄通道疾病的早期有效诊断和治疗，例如肺端支气管疾病。为了证明这一点，该团队通过在预设的微尺度功能腔搭载不同的医疗工具（例如激光光纤、微管等），利用猪肺模型进行了一系列离体实验，包括采样、药物输送和激光消融等任务（图5a）。通过DSA图像，该团队首先证实了探头尖端能成功进入内径约为1.0mm的末端支气管。此外，探头在介入过程中检测到支气管内存在小气泡（图5b-2）。通过搭载的微管进行负压抽吸收集了对应的液体样本，其在光学显微镜下呈现了明显的粘性特征和许多微米级气泡（图5b-3）。其后，该团队演示了药物递送过程（图5c）。通过将液体药物（以高锰酸钾溶液为例）输送至探头前端，可在解剖后的支气管末端内表面清晰观察到棕色药物（图5c-4）。再者，该团队利用搭载的激光光纤演示了激光烧蚀过程（图5d），经过递送激光的高能量烧蚀，末端支气管内表面能清晰看到一个直径约为300μm的小疤痕（图5d-4），从而证实了激光消融在狭窄通道中的疗效。最后，为了进一步验证所述结果，该团队对治疗过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之间存在显著差异（图5e）。

图5. 纤维内窥机器人在离体猪肺模型中的功能演示。

总结：该研究开发了一种亚毫米纤维内窥机器人，成功克服了小轮廓、高精度控制和功能操作之间的明显冲突。为了实现所需的小轮廓，该研究采用光纤阵列作为核心元件，并利用微纳3D打印技术制造探头尖端的骨架。为了实现高精度、大范围地控制探头，该研究利用磁喷雾技术为机器人覆盖了磁性皮肤，并提出了一种两段式磁致动策略。最后，为了满足原位功能性手术的要求，该研究在探头内为各种手术工具预设了一个功能性腔道。利用机器人的上述三方面功能，该研究最终实现了在肺支气管树模型内的成功导航，并在尺寸约为1.0mm的离体猪肺末端支气管内展示了多种原位手术操作。这项工作有望为临床手术机器人的发展提供关键的解决方案，旨在实现对身体内部受限区域的早期诊断和治疗，从而进一步提升其在生物医学应用领域的强大潜力。

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来源：高分子科学前沿