Оригами и пьезоактуаторы позволили создать миниатюрный аппарат для микрохирургии

Hiroyuki Suzuki, Robert Wood / Nature Machine Intelligence, 2020
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.
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.
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