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大连理工研制出能在肠道内游走的胶囊机器人

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来源: 作者: 2019-05-16 19:54:18

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吞下肚去,医生就可通过对它进行控制从而检查病情并实行医治。日前,大连理工大学精密与特种加工重点实验室副教授张永顺与其团队在国内外首次实现了机器人在肠道内的垂直游动,为减轻病人医疗痛苦提供了最大可能,也将我国此类研究向前推进一步。该研究取得了国家自然科学基金的资助。

体内参与检查与治疗具有安全、微创等优点,并迅速成为医学工程领域的主流。“现在,国内外的很多科学家都在试图研制能主动行走的体内胶囊机器人,这就迫切需要一种装置,使得机器人本身能主动进行姿态修正,我们这个成果可以成为此项研究的一个良好开端。”张永顺在接受《科学时报》采访时说。

利用磁场垂直行走

据了解,目前在机器人的驱动方式研究上,国内外主要有两种途径,一种是利用微波,另一种便是通过磁力。但在此之前,国内外尚没有能使胶囊机器人垂直向上行走的。

由张永顺担任第一作者撰写的《肠道内变径胶囊微机器人空间磁力矩特性》一文提出的一种新型胶囊机器人样机,解决了在复杂非结构化肠道内的驱动问题。该文发表在《中国科学E辑:技术科学》2009年第7期上。

体内介入治疗具有安全、可靠、无痛等优点,并迅速成为医学工程领域的主要发展趋势。人们已经研制出微型消化道胶囊内窥镜,商业化产品也有很多。但它们均是利用消化道蠕动进行全部区域检查,通过装入的CMOS微型摄像机,以无线方式传输检查图象。

“这样的方式存在视觉盲区,不能控制姿态和主动返程,使肠道内一些医疗作业没法完成,而且严格来说,尚未构成机器人系统。”张永顺说。

为了扩大功能,研制由体外无缆控制进入体内的胶囊机器人已成当务之急,其目标则是构成以胶囊内窥镜为载体的微机器人系统,通过体外无缆驱动控制与姿态调整,安全地实行窥视诊断、施药、取样等介入医疗作业。

目前,无缆磁控胶囊机器人被认为是最具有实用化前景的驱动方式,日本Ishiyama 等人曾提出利用三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场,媒介于内嵌磁体实现表面带罗纹胶囊旋进的驱动方案,但没有介绍空间旋转磁场的产生原理。

而根据张永顺的研究,旋进驱动适于大黏度流体环境,构成的流体动压膜可保护人体软组织不受损伤。

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员发现,以相邻异向径向磁化瓦状NdFeB多磁极组成的圆筒为外驱动器产生旋转磁场,可驱动内嵌磁体变径胶囊机器人旋进,并根据等效磁荷法建立的偏心状态磁驱动力矩普遍性数学模型,对磁驱动力矩特性进行了研究。

“我们提出的一种变径胶囊机器人模型,通过转速自动调整机器人表面与管壁的间隙,显著提高了胶囊机器人对柔弹性变截面肠道的适应能力。”张永顺说。

通过在猪离体肠道内的试验表明,变径胶囊机器人实现了垂直爬行,而且该驱动系统具有节省能源、驱动力矩大、安全可靠、实用性强等优点。

专家们也认为,该变径胶囊机器人磁驱动系统在生物医学工程领域具有广阔的应用前景。

转弯技术亟待突破

这个胶囊机器人直径15毫米,长度40毫米,重量15.4克,“这个大小在人体内活动没有危险。”张永顺说,另外,本项研究意外地发现了变径胶囊机器人的多楔形效应,国外专家认为本项研究提出了一种新的胶囊微型驱动方式,显著提高了在肠道内的驱动能力。

“国际上,胶囊机器人研究存在的主要技术瓶颈有两个,1是研制适合肠道非结构化复杂环境内驱动的胶囊机器人载体;2是如何产生空间万向旋转磁场,实现胶囊机器人在体内弯曲环境内驱动行走。”张永顺说。

目前,张永顺和其研究小组正在对肠道内的弯曲环境驱动关键技术进行研究,“只要解决了转弯问题和定位问题,那么这个胶囊机器人可实现在肠道内进退自若,实行窥视、诊断,甚至施药、取样。其研究成果必将对医学工程的发展产生极大的影响”。

“本项研究也为运用奠定了基础。首先,是对驱动器的结构参数的优化,就是设计一个结构参数优化的大尺寸外驱动器,以便有足够的空间包围人体;其次是机器人的姿态控制,也就是使外驱动器具有两个自由度,这样,通过调剂外驱动器的轴线与肠道不同弯曲段的方向一致,就可以控制胶囊机器人沿着肠道的任何方向驱动行走。”张永顺说。

张永顺表示,目前,他们正在进一步改进这一成果。据他介绍,现在胶囊机器人驱动磁场的方向还不能改变,他们也在试图让磁场进行空间的万向旋转,这样机器人材可以适应肠道的复杂结构。“攻克了这个难关,进行临床试验就有可能,而且又可以使我国乃至世界在这一领域的研究前进一大步。”张永顺说。

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