3种软体医疗机器人

医用机器人变得柔软——3种柔韧的机器装置可在人体内安全地工作。

用技术术语来说,人体内部基本上是“湿软的”。当坚硬的物体被放置在体内时,我们柔软的内脏并不总能很好地与之相处。不仅物体锐利的边缘会划伤器官和血管,而且外来物体周围也会被身体防卫系统的瘢痕组织围绕,妨碍其发挥预期功能。因此,研究人员正在研制一种可以更好地为人体所接受的软体机器人。这些机器装置可以与人体组织亲密接触,却不会危及安全。

这3种试验机器人有不同的设计目的——其中两种是植入性的,还有一种可能成为外科手术的工具——但它们都属于由新材料和柔性执行器打造的更加灵活的机器装置。

心脏包裹器

全世界有4100万人正在遭受心脏功能衰退之苦。他们的心脏逐渐无法有效地承担泵血的重任。一些心衰患者正在等待心脏移植,而另一些人则安装了被称为“心室辅助装置”(VAD)的金属泵来为无力的心脏提供帮助。但随着血液在金属和塑料制成的VAD表面溢流,血栓的风险也随之增加。

在寻找更好的脉动辅助装置的过程中,一支国际研究团队发明了一种套在心脏外面的硅胶套,从而使机器装置在有节奏地挤压该器官的过程中避免与流动的血液接触。这个套子的设计受到真实的心脏肌肉的构造启发,其内层是可以利用同心环进行收缩的材料,而外层则可以以螺旋的方式进行收缩。早期的装置使用了14个气动装置(6个位于同心层,8个位于螺旋层)。这些装置可以通过充气来分别启动,从而试验不同的收缩类型。在活猪身上进行的试验中,研究人员证明该设备既可以探测和匹配心脏的自然律动,也能够用稳定的跳动来替代不正常的律动。

柔软机器装置的潜力不止于为虚弱的人体提供支持,研究人员之一艾伦罗氏(EllenRoche)介绍说。她是爱尔兰国立高威大学的一名博士后,即将于9月前往麻省理工学院担任机械工程学助理教授。“如果能够与器官的原生属性相匹配,就可以更好地帮助这个器官——也许可以试着重建它或者使它恢复功能;”她说,“而如果只是取代器官的功能,器官就不可能好转。”

药物剂量仪

当提到瑞士钟表的时候,“柔软”和“弯曲自如”可能不会是你脑海中首先浮现的形容词。因此哥伦比亚大学研究人员的创造性堪称满分。通过在柔软的水凝胶中复制被称为槽轮机构(Genevadrive)的手表结构,他们打造了一个可以在人体中按时释放药物剂量的具有生物相容性的机器装置。

哥伦比亚大学生物医学工程教授萨缪尔西亚(SamuelSia)受手表启发,创造出这款生物机器人。它是一个简单的水凝胶齿轮装置,内嵌有纳米铁粒子,使研究人员能够在外部用磁铁启动该装置。齿轮每走一步,就会有一个中空的小格与缺口对齐,从而使一定剂量的药液流出。西亚提出,在癌症护理中,植入这样一个装置可以定向施用化疗药物,从而使身体的其他部位免受药物的毒性作用的影响。当他在患骨癌的小鼠身上测试这一装置时,他发现与传统化疗相比,由生物机器人给出的药物剂量可以杀死更多的癌细胞,并使其他部位的更多细胞免受损伤。不仅如此,由于装置的每次走动都是由外部人员进行操纵的,因此只有在医生认为合适的时候才会释放药物。

西亚介绍,设计过程中最难的部分是让材料硬度适中,不能太软,也不能太硬。“我们不想失去水凝胶的良好特性,但如果这个材料会像果冻一样坍塌,就很难用它来打造机器人,”他说,“它的硬度必须能使一个小巧的可植入装置工作。”

温和抓取者

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今天的外科医生使用各种抓取工具来对付病人的内脏;比如,他们会用一个工具来将脂肪组织推到一边,同时使用另一个工具来切掉肾脏中的肿瘤。外科医生会小心谨慎地进行这些动作以避免对细嫩的皮肉造成不必要的损伤,若是采用赵选贺设计的柔软工具,外科医生们就可以更容易地完成他们的工作。

赵选贺是麻省理工学院机械工程系以及土木和环境工程系的助理教授。他设计出了一系列由水凝胶制成的机器装置,每个装置都采用内部中空的连锁立方体的形式来制造。要激活装置时,由一个注射泵将水注入特定组合中的机器人,使它卷曲或伸展,从而进行快速有力的移动。其中一个抓取机器人(上图)形似一只有五指的手,它展示了其灵巧程度,抓取了游动的金鱼,随后将金鱼放开,而没有使金鱼受伤。赵选贺的团队现在正在与医疗团队合作研发可在机器人外科手术中抓取器官的水凝胶“手”。

另一个可以包住肠子并有节奏地收缩的柔性机器人,能够模仿将食物送入消化道的波状蠕动过程。对于未来的柔柔性器爪来说,似乎人体内没有什么东西是不能够被抓起来的。