带有磁性皮肤的开创性葡萄藤机器人或可变革癌症治疗技术

根据利兹大学的一项新研究，一种拥有磁性皮肤和模仿爬藤植物运动的新型机器人，可能会改变癌症的诊断和治疗方式。

利兹大学研究人员开发的柔软纤细的“磁性藤机器人”不仅在移动时会“生长”，而且还可以通过几乎比其静止直径薄40%的缝隙。这使得它们能够在人体深处狭窄、复杂的路径中导航，如支气管树。

研究人员通过将机器人的“皮肤”磁化并使用外部磁铁进行控制，认为这些小塑料机器人如此灵活，甚至可以绕过“S”形弯道，这意味着它们可能用于治疗肺部最深、最难到达部分的肿瘤。

该技术由大学内的STORM Lab、未来制造工艺研究组和加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Morimoto Lab的工程师、科学家和临床医生合作开发。他们希望该技术能够为该领域带来革命性变革，从而引领先进且创伤较小的手术工具的发展，这些工具可以精确地在人体复杂敏感的区域中进行导航。

这些新型机器人代表了手术导航技术的一项重大进步，可能惠及数百万人。

STORM Lab主任兼研究导师Pietro Valdastri教授表示：“目前有许多手术流程将来可以极大地受益于这项技术。例如，当前用于观察患者肺部内部或取样（支气管镜检查）的技术难以到达大多数气道，因为将仪器推入患者体内进行导航非常困难。”

“手术的难度限制了医疗系统的容量，导致患者等待时间过长，并可能导致疾病进展。”

重大进步

藤机器人通过内部的气动压力生长，并利用磁性进行导向。虽然许多机构正在研究藤机器人在临床上的应用，但利兹大学和加州大学圣地亚哥分校的团队认为他们是第一个将藤机器人与磁性技术结合使用的团队。

Valdastri教授表示：“我们的研究结果突显了我们提出的磁性导向方法的成功。这些新型机器人代表了手术导航技术的一项重大进步，可能惠及数百万人。”

“它们有可能提高医疗手术的安全性和有效性——从诊断到活检和治疗——缩短恢复时间并最大限度地降低手术风险。”

这项研究由欧洲研究委员会资助，其调查结果已发表在《IEEE机器人与自动化快报》上。

由于这些机器人通过生长进行移动，因此不会产生摩擦，这意味着它们可以轻松地通过艰难的路径，且不太可能损伤周围的组织。

灵感来源于植物

藤机器人的设计灵感来源于植物界：它们像藤蔓一样在树木和岩石周围生长并移动障碍物。

它们利用气动压力，即当内部空气被压缩时，体积减小而压力增加。其倒置的内部结构可以与部分翻转的袜子进行比较。通过拉动连接到倒置部分尖端的系绳，机器人会变小。

当释放系绳并在内部施加压力时，机器人会通过向外折叠而变长。

这种生长能力意味着它可以毫不费力地穿过塌陷的管道，为摄像头或其他工具打开通道——这是其他设备无法做到的。

这份报告的主要作者Josh Davy在利兹大学电子与电气工程学院攻读博士学位期间进行了这项研究。他表示：“外科医生将导管推入患者体内时会产生摩擦和不适，但由于这些机器人通过生长来移动，因此不会产生摩擦，这意味着它们可以轻松地通过艰难的路径，且不太可能损伤周围的组织。”

“此外，人体内的许多空腔是塌陷的，例如大脑或胃肠道，我们需要一种方法来扩展它们以便进行导航。”

“这些机器人可以打开塌陷的管道——这是其他机器人无法做到的。一旦它们生长完毕，你就有了可以放置工具或摄像头的通道，因此它们具有更大的潜力。”

戴维先生表示，他对改善结果的潜力感到兴奋，尤其是对肺癌患者而言，他补充说：“我们正努力让更多癌症能够进行手术。如果我们能有一个系统，让我们在不造成重大创伤和损伤的情况下深入解剖结构，那么对于那些原本需要开放手术的癌症，我们就开辟了新的治疗途径。”

磁性皮肤

通过在机器人上涂覆嵌入数百万磁性微粒的硅材料，使其具有磁性，这些微粒微小到可以在一根人类头发上放置大约20个。

如果转向依赖于坚硬的内部组件，比如在其尖端安装一个磁铁，那么机器人就会失去缩小体积和挤压通过微小缝隙的能力，并可能导致组织损伤。通过使机器人表面具有磁性，它们能够保持完全柔软和灵活，这意味着患者的不适感更少，并且未来有可能制造出更小的版本。

这些设备由外部磁铁控制，外部磁铁对磁性微粒施加力，使机器人改变形状或方向——使其能够通过肺部的微小管道到达可疑病变部位。

研究表明，一旦到达目标位置，机器人可用于采集组织样本或进行治疗，这最终可能导致更好的治疗效果。

这一概念验证的基础是实验室测试，涉及根据解剖数据构建的支气管树3D复制品。加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Morimoto实验室率先为医疗应用设计了藤蔓机器人。

预计今年年底前将完成临床前试验，研究团队希望获得下一阶段研究的资助，该阶段将在人体试验中研究该设备的有效性。

轨迹规划可提高医疗机器人的安全性

利兹大学（Leeds）的STORM实验室的研究人员也一直在研究控制两个磁性机器人的方法，以消除碰撞的可能性，并产生所需的磁场，以安全地在患者体内移动医疗设备。

通过使用新开发的复杂算法，研究人员为两个机械臂创造了一场完美的“舞蹈”，它们之间始终保持一个清晰的空间——即患者身体所在的位置，并确保磁场的一致性。

他们之前在该大学开发的创新机器人系统使用两个机械臂，每个机械臂都移动一个大型永磁体，以控制磁性医疗设备，如藤蔓机器人。

发表在《国际机器人研究杂志》上的这种独特的两步过程，精心绘制了两个磁体的路径，确保它们不会相互碰撞，也不会撞到它们之间的患者。

此外，该过程还确保机器人以这样的方式移动，即产生的磁场不会不稳定地影响医疗磁性设备——可能位于患者体内。