肿瘤外科的主要目标是实现癌组织的完全切除，同时对周围健康组织的医源性损伤最小，这给外科医生带来了巨大的挑战。平衡切除位置至关重要，要保证肿瘤部分的完全切除最大限度地降低术后癌症复发的风险，同时尽可能保留正常组织，防止过多的切除导致术后并发症以及功能衰竭的产生。为了解决这些挑战，研究人员一直致力于研究高精度手术器械。
伦敦帝国理工学院哈姆林机器人手术中心Burak Temelkuran教授的课题组提出了一种电热驱动的基于聚合物的纤维装置，它是一种长约 10 mm，直径 < 2mm的机器人。该装置能够实现高精度的运动控制，在30 μm 步进运动中平均路径误差低于 50 μm，并且速度为 10 mm/s。该纤维机器人是使用热纤维拉丝工艺制造而成。在临床场景中，该光纤机器人可以通过腹腔镜设备等标准介入器械部署到手术部位，从而能够将光纤机器人粗略定位在目标肿瘤区域附近，通过配备放置在工作通道内的内窥镜纤维束探针，它能够对可疑癌变区域进行准确的亚细胞识别。
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图1：纤维机器人的制作和工作原理。(A) 通过 3D 打印进行预成型件制造过程。(B) 电热驱动纤维是通过热纤维拉制生产的。(C) 送丝平台的俯视图。(D) 热拉制光纤的断层扫描 (μ-CT)。(E) 光纤悬臂弯曲的图示，其由热膨胀提供动力。(F) 在移动连接到 650 nm 发光二极管 (LED) 的 500 μm 光纤时，使用无反光镜相机的慢快门速度功能捕获的六个尖端位移模式。(G) 弯曲运动过程中热像仪获得的沿光纤长度的温度分布曲线。
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图2：纤维机器人的机械特性。(A) 对于具有不同外径和长度的两根纤维，纤维尖端位移与所施加功率的函数关系。插图为误差条指示，使用激光位移传感器进行五次测量获得。(B) 增量输入功率步长的位置分辨率约为 13 mW。(C) 纤维尖端横向产生的接触力与所施加功率的关系（五次运行的平均值）。(D) 实验中使用的商用力传感器。(E)无约束纤维长度的尖端位移。(F) 夹紧测试期间纤维运动的热图像顶视图。(G) 测量的温度梯度与施加的位移功率的函数关系。(H) 输入电压波形（上）、相应的尖端位移（中）以及嵌入式不锈钢丝的电阻变化（下）。(I) 通过以 125 mW 增量步长执行从 0 到 1 W 的输入功率扫描来测量光纤的迟滞。(J) 压缩空气通过 Fiberbot 中央通道的效果（在 38° ± 1°C 环境下）。上图显示了纤维尖端位移的变化，下图显示了随着气压的增加，光纤表面温度的降低。
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图3：腹腔镜机器人仪器在猪模型中的体内演示。(A) 实验设置的图形概述。该装置的特点是气管插管猪处于仰卧位进行全身麻醉，麻醉机用于在机器人控制的消融过程中诱导安全呼吸暂停阶段（即抑制呼吸引起的运动），手术二氧化碳，激光源耦合到柔性 PBG 激光光纤、与腹腔镜光学耦合的腹腔镜塔以及外科医生远程操作光纤机器人的控制单元。(B) 二氧化碳吹入腹腔、插入套管针以及随后先进的腹腔镜和机器人仪器的特写视图。关节臂用于定位、定向腹腔镜和机器人器械并将其固定到位。(C) 机器人仪器手柄的图示，该手柄承载电子接口和充当光纤机器人导管的刚性管道。(D) Tuohy-Borst 适配器的特写视图，该适配器有助于同时插入激光光纤并通过光纤机器人的中央通道注入冷却气体。(E) 纤维机器人的驱动部分和刚性管远端的横截面图。(F到H) 纤维机器人同时驱动和消融（在安全呼吸暂停阶段）的摄影时间序列（使用腹腔镜捕获）（F）盲肠中的圆形路径，（G）肝脏中的螺旋路径，以及(H)肝脏中的圆形路径。
文章提出了一种纤维机器人，它可以通过其包封聚合物的不对称热膨胀以及通过纵向嵌入的电阻线的电流感应来进行高精度移动。该纤维机器人制备简单，成本低廉能够使实现大规模的生产，并且在能够与现有的精细医疗器械较好的结合，实现较好的应用。
【参考文献】
https://doi.org/10.1126/sciadv.adj1984
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