Оригами и пьезоактуаторы позволили создать миниатюрный аппарат для микрохирургии

Японские и американские инженеры разработали компактный манипулятор для проведения хирургических операций с точностью до 26,4 микрометра. Он работает на базе небольших пьезоэлектрических актуаторов, поэтому его масса составляет всего 2,4 грамм, рассказывают авторы статьи в Nature Machine Intelligence.

При микрохирургических операциях врачи работают с небольшими органами и их участками, например, с нервными окончаниями или капиллярами. Отслеживать ход операции просто: для этого применяют микроскопы, которые относительно удобно подвешиваются над пациентом. Но само хирургическое вмешательство требует от врача крайне точных и аккуратных движений, поэтому даже небольшой тремор может усложнить операцию и повысить вероятность ошибки. Для микрохирургии существуют вспомогательные роботы, которыми управляет хирург, но они почти всегда массивны и дороги.

Хироюки Сузуки (Hiroyuki Suzuki) из компании Sony и Роберт Вуд (Robert Wood) из Гарвардского университета продемонстрировали прототип миниатюрного манипулятора для глазных микрохирургических операций. В его основе лежит оригами-конструкция. Сначала инженеры создали композитный лист, в центре которого располагается полиимидная пленка, а по обе стороны от нее наклеен углеволоконный слой. После создания листа в нем сделали прорези и затем части листа собрали в объемную конструкцию. В таком положении проявляется преимущество конструкции с гибкой пленкой и жестким углеволокном: она работает как амортизированный петлевой механизм.

Конструкция имеет три степени свободы благодаря трем линейным пьезоэлектрическим актуаторам, работающим на эффекте прилипания-скольжения. Основные два компонента актуатора — это направляющий рельс и закрепленный на нем подвижный блок. В блоке установлена простая спиральная пружина, которая несильно прижимает его к рельсу, а также два фотопрерывателя, которые излучают и принимают сигнал, а в случае, если прием прервался, регистрируют это. Они нужны для отслеживания перемещения блока по рельсу: для этого в нем с двух сторон есть два набора отверстий, причем смещенных относительно друг друга.

Основание рельса соединено с полоской из пьезоэлектрического материала, который под действием напряжения расширяется или сжимается. Именно он отвечает за движение блока: для движения вперед напряжение поля увеличивается постепенно и блок двигается вперед вместе с рельсом, а после этого пьезоэлектрик резко сокращается, прижимной силы пружины становится недостаточно и блок остается на месте, а рельс возвращается назад. При этом фотопрерыватели подсчитывают пройденное расстояние благодаря тому, что отверстия в рельсе во время его движения сдвигаются относительно датчиков. Для движения назад используется обратная схема. Два таких актуатора прикреплены к трем разным частям конструкции, а третий закреплен на конце и на нем можно расположить иглу или другой инструмент для операции.

Благодаря такой конструкции масса устройства составляет всего 2,4 грамм, а ее размеры — семь сантиметров в длину и по пять в ширину и высоту. Небольшие размеры и актуаторы позволяют крайне точно управлять положением иглы. Например, часть иглы можно задавать как центр движения и вращать остальную конструкцию вокруг него. Инженеры оценили точность аппарата, разместив на середине и конце иглы два маркера, и отследив их движения с помощью двух камер. Сравнив команды с реальным движением они определили, что среднеквадратическое отклонение составляет около 0,53 угла и 24,6 микрометра. Также они установили, что максимальная сила аппарата составляет 0,17 ньютона.

Разработчики показали два наглядных примера возможностей аппарата. В одном они сравнили точность движения иглы по квадрату со стороной 0,5 миллиметра под управлением человеческой руки и аппарата, и выяснили, что аппарат передвигается намного точнее. Во втором они показали, что силы актуаторов достаточно, чтобы игла проткнула небольшой силиконовый сосуд.

Похожие компоненты, в том числе пьезоэлектрические актуаторы и гибкие механические передачи из композитов, также используются в проектах по созданию микророботов. В том числе их создает группа автора этой работы Роберта Вуда. Недавно его команда инженеров создала миниатюрного четвероногого робота HAMR-Jr весом всего 320 миллиграмм.

Григорий Копиев