哈佛大學(xué)開發(fā)硬幣大小的微型機(jī)器人，可完成人類外科顯微手術(shù)

　　上世紀(jì)80年代，“Delta機(jī)器人之父” Reymond Clavel教授為一家巧克力工廠開發(fā)出Delta的第一個(gè)版本，該機(jī)器人擁有三個(gè)獨(dú)立控制的輕量手臂，引導(dǎo)一個(gè)平臺(tái)在三個(gè)方向上快速準(zhǔn)確地移動(dòng)，從而高效包裝巧克力果糖。此后的近30年時(shí)間里，Delta機(jī)器人憑借精度高、速度快，被廣泛用于取放組裝、機(jī)械加工、焊接、食品包裝等工業(yè)流程中。

　　目前，Delta機(jī)器人已經(jīng)步入了“毫米級(jí)”時(shí)代。據(jù)哈佛大學(xué)官網(wǎng)消息，哈佛大學(xué)Wyss生物創(chuàng)新工程研究所和John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的Robert Wood團(tuán)隊(duì)最近已開發(fā)出一款新的設(shè)計(jì)，被稱為“milliDelta”機(jī)器人。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)于2016年底正式創(chuàng)刊的《科學(xué)· 機(jī)器人學(xué)》(Science Robotics)。

　　值得一提的是，Delta機(jī)器人問世以來(lái)，如何設(shè)計(jì)出更小尺寸的機(jī)器人一直是工程師們的挑戰(zhàn)，業(yè)界一度認(rèn)為將其尺寸縮小到毫米級(jí)是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。哈佛大學(xué)官網(wǎng)稱，Robert Wood團(tuán)隊(duì)開發(fā)的milliDelta正是克服了小型化挑戰(zhàn)。

　　milliDelta 機(jī)器人誕生的靈感來(lái)源于立體書和折紙。受此啟發(fā)，Robert Wood團(tuán)隊(duì)在2011年開發(fā)了一種微制造法，可以將平板復(fù)合材料組裝成機(jī)器人。彈出式微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)制造目前已經(jīng)被用于構(gòu)建動(dòng)態(tài)厘米級(jí)機(jī)器，飛行機(jī)器人RoboBee即用了該原理。

　　在Robert Woo團(tuán)隊(duì)的最新這項(xiàng)研究中，他們用微制造法開發(fā)了尺寸僅為15毫米×15毫米×20毫米的milliDelta機(jī)器人。這也就意味著，milliDelta機(jī)器人不過如一枚硬幣般大小，可以直接被放進(jìn)零錢包里。

　　研究團(tuán)隊(duì)通過整合精密加工技術(shù)和高性能復(fù)合材料，使milliDelta集成了彎曲接頭和彎曲制動(dòng)器，從而快速、有力地在微米精度下進(jìn)行操作。這些特點(diǎn)幫助milliDelta可以勝任制造業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)中一系列需要精密操控的任務(wù)。

　　Wyss研究所核心成員Wood表示，“縮放物理學(xué)告訴我們，縮小Delta機(jī)器人的尺寸可以提高它們的速度和加速度，彈出式MEMS制造法能夠使用任何材料或復(fù)合材料，或許是解決這個(gè)問題的理想途徑。”Wood同時(shí)表示，“這種方法也使得我們能夠快速完成許多迭代，最終開發(fā)出milliDelta。”

　　milliDelta的設(shè)計(jì)采用具有嵌入式彎曲關(guān)節(jié)的復(fù)合材料層板，其復(fù)雜性接近于大型Delta機(jī)器人。論文的第一作者Hayley McClintock表示，“在裝配夾具的幫助下，這種層壓板可以精確地折疊成毫米級(jí)的Delta機(jī)器人。milliDelta還利用壓電致動(dòng)器，這樣和現(xiàn)有的Delta機(jī)器人相比，它們的移動(dòng)頻率可以快15至20倍。”

　　據(jù)McClintock描述，“現(xiàn)有的 Delta 機(jī)器人只能在幾赫茲的頻率下工作，而 milliDelta 機(jī)器人的表現(xiàn)十分搶眼，它已經(jīng)能在高達(dá) 75 赫茲的頻率下繪制圓圈。”

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)還展示出，milliDelta可以在一個(gè)僅7立方毫米的工作區(qū)內(nèi)操作，可以施加作用力并顯示出軌跡，這些都使其成為工業(yè)取放過程中精密操控的理想選擇，以及進(jìn)行例如人類視網(wǎng)膜顯微手術(shù)這樣的的顯微外科手術(shù)。

　　研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)milliDelta進(jìn)行了顯微外科手術(shù)和其他精密操控的首次測(cè)試，挖掘它們作為手顫抖消除裝置的潛力。論文的共同第一作者Fatma Zeynep Temel博士說，“我們首先繪制了某個(gè)人拿著牙簽尖端的路徑，計(jì)算出這些路徑，然后將它們輸入milliDelta機(jī)器人，機(jī)器人就能夠匹配和取消它們。”

　　研究人員認(rèn)為，專業(yè)的milliDelta機(jī)器人既可以添加到現(xiàn)有的機(jī)器人設(shè)備上，也可以開發(fā)為獨(dú)立的設(shè)備，例如在科學(xué)研究和臨床實(shí)驗(yàn)室中操作細(xì)胞的平臺(tái)。