由麻省理工,謝菲爾德大學(xué)及東京工業(yè)大學(xué)共同研發(fā)完成的可折疊機器人,它能遇熱自動伸展,可以作為醫(yī)用膠囊,通過外部的磁鐵控制其行動方向,可以爬進(jìn)你的胃里,把你誤吞食的電池取出,甚至修補人體內(nèi)的破洞。
這項發(fā)明在本周舉行的紐約國際機器人和自動化大會上正式亮相,有大量的科研人員參與這項折疊機器人的研究并發(fā)表了一篇重量級論文??蒲腥藛T包括麻省理工的電氣工程和計算機科學(xué)系教授 Andrew Viterbi 以及研究組組長 Daniela Rus。
“這種可折疊式機器人令我們非常興奮,我們相信它在健康醫(yī)療領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用”。 麻省理工的計算機科學(xué)及人工智能研究室(CSAIL)主管 Rus 對記者說。“對于應(yīng)用在人體內(nèi)的機器人,我們必須讓它盡量精巧,可控,這就必須有傳統(tǒng)機器人以外的創(chuàng)意。如果讓機器人由一條繩子控制,讓它準(zhǔn)確地在人體內(nèi)行動是非常困難的”。
這篇論文的第一作者 Shuhei Miyashita 邀請了 CSAIL 博士后 Rus 參與這項計劃,Rus 在完成這個項目之后,去了英國的約克大學(xué)任電子系講師。機械工程本科生 Steven Guitron ,CSAIL 博士后 Shuguang Li ,恰好在麻省理工進(jìn)行學(xué)術(shù)交流的東京工業(yè)大學(xué)學(xué)生 Kazuhiro Yoshida 以及謝菲爾德大學(xué)的 Dana Damian 同樣參與了這個項目。
雖然它的前一代產(chǎn)品在去年同一時間發(fā)布,但它們的材料設(shè)計有了很大的差異。與它的前輩一樣,它可以通過粘滑運動移動自身,通過其附屬物的收縮,改變其重量分布進(jìn)行移動。
和由 Rus 負(fù)責(zé)的前一代產(chǎn)品相似,新的機器人采用三層結(jié)構(gòu),中間層會遇熱收縮,上下兩層也會受中間層的影響產(chǎn)生形變。
材質(zhì)變化
機器人的設(shè)計形態(tài)經(jīng)過了無數(shù)次的修改,最終成為今天的形狀。“想要機器人能夠正常蠕動,必須滿足以下條件:1.機器人盡可能的小 2.機器人足夠‘硬’”。Guitron 解釋。“最初設(shè)計時才用聚酯薄膜材料,比我們現(xiàn)在采用的生物材料更硬,但可能對人體產(chǎn)生不適”。
為了補償生物材料的剛性不足,研究人員提出一項新的設(shè)計,通過折疊成多層增加機器人的硬度。同時,收縮形成的褶皺也能提高機器人的抗壓性。
但由于胃里面充斥著液體,機器人的運動并不能完全依賴蠕動。“經(jīng)過我們計算,我們需要依賴水進(jìn)行 20%的移動,其他 80% 則是用蠕動”,Miyashita 說。“既然如此,我們就選擇把機器人設(shè)計成鰭型,正如你所見,它看起來比較扁平”。
它的設(shè)計還需要考慮到膠囊外殼問題,畢竟它由病人口服進(jìn)體內(nèi),所以它的體積被盡可能的壓縮到最小。同時,膠囊進(jìn)入體內(nèi)溶解后,它還要有足夠的力讓自己伸展開來,才能順利進(jìn)行收縮移動。Guitron 說他們試了無數(shù)的錯,才找到了長方形的機器人形態(tài),并像手風(fēng)琴一樣折疊多層,將其長軸和捏腳線充當(dāng)牽引點。
負(fù)責(zé)向前進(jìn)的一個“手風(fēng)琴”中心使用的是一塊永磁體,借此可以在身體外部控制機器人移動。放在體外的控制器能夠使機器人旋轉(zhuǎn)移動,在實驗中,他們采用同一塊磁體吸附住誤吞進(jìn)體內(nèi)的電池。
用豬做實驗
研究人員使用干燥后的豬大腸做了大量可行性試驗。“我們在亞裔市場和唐人街上花費了大量的時間尋找合適的材料”,李說。機器人的收縮層是用一種可降解的材料,名為 Biolefin 。
要設(shè)計一個合成的胃,研究人員買了一個豬肚并測試了其可靠性。他們的模型是胃和食道,從硅橡膠具有相同的機械輪廓成形的開口橫截面。水和檸檬汁的混合模擬在胃的酸性液體。
每年,盡在美國,就有 3500 例紐扣電池被誤吞的報告。通常,紐扣電池能被消化掉,但如果它們進(jìn)入了食道或者胃里,它們將電離出氫氧化物,這將會對器官產(chǎn)生極大的傷害。Miyashita 采取了聰明的策略說服 RUS ,把取消傳統(tǒng)的手術(shù),讓折紙機器人搞定這些病人。
“Shuhei 買了一塊火腿肉,并把電池放在肉上面”,Rus 說,“半小時后,電池完全溶解在了肉上面 。這讓我意識到了,這件事非同小可,如果你不小心把電池放進(jìn)了你身體里,你最好盡快把它弄出來,越快越好”。
“這項發(fā)明非常實用又兼具創(chuàng)造力,它讓原本需要動用外科手術(shù)的問題優(yōu)雅地解決”。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院教授 Bradley Nelson 這樣評價道,“這是我目前見到的,折疊型機器人目前為止最有說服力的應(yīng)用”。
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