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(jī)器人，它能遇熱自動(dòng)伸展，可以作為醫(yī)用膠囊，通過(guò)外部的磁鐵控制其行動(dòng)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(bǔ)人體內(nèi)的破洞。

這項(xiàng)發(fā)明在本周舉行的紐約國(guó)際機(jī)器人和自動(dòng)化大會(huì)上正式亮相，有大量的科研人員參與這項(xiàng)折疊機(jī)器人的研究并發(fā)表了一篇重量級(jí)論文。科研人員包括麻省理工的電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授 Andrew Viterbi 以及研究組組長(zhǎng) Daniela Rus。

“這種可折疊式機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)及人工智能研究室（CSAIL）主管 Rus 對(duì)記者說(shuō)。“對(duì)于應(yīng)用在人體內(nèi)的機(jī)器人，我們必須讓它盡量精巧，可控，這就必須有傳統(tǒng)機(jī)器人以外的創(chuàng)意。如果讓機(jī)器人由一條繩子控制，讓它準(zhǔn)確地在人體內(nèi)行動(dòng)是非常困難的”。

這篇論文的第一作者 Shuhei Miyashita 邀請(qǐng)了 CSAIL 博士后 Rus 參與這項(xiàng)計(jì)劃，Rus 在完成這個(gè)項(xiàng)目之后，去了英國(guó)的約克大學(xué)任電子系講師。機(jī)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(gè)項(xiàng)目。 

雖然它的前一代產(chǎn)品在去年同一時(shí)間發(fā)布，但它們的材料設(shè)計(jì)有了很大的差異。與它的前輩一樣，它可以通過(guò)粘滑運(yùn)動(dòng)移動(dòng)自身，通過(guò)其附屬物的收縮，改變其重量分布進(jìn)行移動(dòng)。

和由 Rus 負(fù)責(zé)的前一代產(chǎn)品相似，新的機(jī)器人采用三層結(jié)構(gòu)，中間層會(huì)遇熱收縮，上下兩層也會(huì)受中間層的影響產(chǎn)生形變。

材質(zhì)變化

機(jī)器人的設(shè)計(jì)形態(tài)經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)次的修改，最終成為今天的形狀。“想要機(jī)器人能夠正常蠕動(dòng)，必須滿足以下條件：1.機(jī)器人盡可能的小 2.機(jī)器人足夠‘硬’”。Guitron 解釋。“最初設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)人體產(chǎn)生不適”。

為了補(bǔ)償生物材料的剛性不足，研究人員提出一項(xiàng)新的設(shè)計(jì)，通過(guò)折疊成多層增加機(jī)器人的硬度。同時(shí)，收縮形成的褶皺也能提高機(jī)器人的抗壓性。

但由于胃里面充斥著液體，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)并不能完全依賴蠕動(dòng)。“經(jīng)過(guò)我們計(jì)算，我們需要依賴水進(jìn)行 20％的移動(dòng)，其他 80% 則是用蠕動(dòng)”,Miyashita 說(shuō)。“既然如此，我們就選擇把機(jī)器人設(shè)計(jì)成鰭型，正如你所見(jiàn)，它看起來(lái)比較扁平”。

它的設(shè)計(jì)還需要考慮到膠囊外殼問(wèn)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(shí)，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(kāi)來(lái)，才能順利進(jìn)行收縮移動(dòng)。Guitron 說(shuō)他們?cè)嚵藷o(wú)數(shù)的錯(cuò)，才找到了長(zhǎng)方形的機(jī)器人形態(tài)，并像手風(fēng)琴一樣折疊多層，將其長(zhǎng)軸和捏腳線充當(dāng)牽引點(diǎn)。

負(fù)責(zé)向前進(jìn)的一個(gè)“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(jī)器人移動(dòng)。放在體外的控制器能夠使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

研究人員使用干燥后的豬大腸做了大量可行性試驗(yàn)。“我們?cè)趤喴崾袌?chǎng)和唐人街上花費(fèi)了大量的時(shí)間尋找合適的材料”，李說(shuō)。機(jī)器人的收縮層是用一種可降解的材料，名為 Biolefin 。

要設(shè)計(jì)一個(gè)合成的胃，研究人員買了一個(gè)豬肚并測(cè)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(jī)械輪廓成形的開(kāi)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(guó)，就有 3500 例紐扣電池被誤吞的報(bào)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(huì)對(duì)器官產(chǎn)生極大的傷害。Miyashita 采取了聰明的策略說(shuō)服 RUS ，把取消傳統(tǒng)的手術(shù)，讓折紙機(jī)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(shuō)，“半小時(shí)后，電池完全溶解在了肉上面 。這讓我意識(shí)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(lái)，越快越好”。

“這項(xiàng)發(fā)明非常實(shí)用又兼具創(chuàng)造力，它讓原本需要?jiǎng)佑猛饪剖中g(shù)的問(wèn)題優(yōu)雅地解決”。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院教授 Bradley Nelson 這樣評(píng)價(jià)道，“這是我目前見(jiàn)到的，折疊型機(jī)器人目前為止最有說(shuō)服力的應(yīng)用”。

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