一、牽引方式

歷來研究的主要難點是腸道內(nèi)牽引裝置和頭部轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的設(shè)計與制造。由于腸道內(nèi)特殊的運動環(huán)境，導(dǎo)致了輪式、足式等驅(qū)動方式的失效，所以研究了尺蠖蠕動、蚯蚓蠕動和螺旋驅(qū)動等不同的牽引方式，以期獲得與人體腔道這種特殊的非結(jié)構(gòu)環(huán)境生理兼容，并在其中能夠進(jìn)行安全有效運動的牽引方式。在這些牽引方式中，研究人員研究了不同種類的驅(qū)動器，主要尋找一種安全、可靠、控制方便、體積微小的驅(qū)動器。牽引方式的研究主要集中在螺旋式牽引、蚯蚓仿生牽引和尺蠖仿生牽引等方式上。旋轉(zhuǎn)外場的螺旋推進(jìn)方式不僅存在著推進(jìn)力小的問題，而且由于機(jī)器人在腸道內(nèi)的姿態(tài)時刻變化，如何保證嵌入機(jī)器人身體上的永磁體極化方向和外場方向垂直也需要進(jìn)一步的研究。

另外，螺旋式牽引在嚴(yán)格的潤滑膜形成機(jī)制下能夠獲得理想的牽引能力。但是，在人體這種非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，存在消化道內(nèi)壁表面起伏劇烈、腸道柔軟易于變形、浮動性大等特點，螺旋牽引能否有效可靠，可能還需要作進(jìn)一步的深入研究。在松軟的非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，尺蠖蟲和蚯蚓卻能夠行動自如，并且對環(huán)境造成較少的破壞，這與醫(yī)用的環(huán)境和目的是基本一致的。尺蠖仿生結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用于工業(yè)管道機(jī)器人上，并獲得了成功應(yīng)用。由于工業(yè)管道和人體腔道的部分相似性，將其引入人體消化道檢測似乎順理成章，然而，將工業(yè)管道中的尺蠖機(jī)器人直接應(yīng)用于臨床消化道檢測是絕不能成功的。尺蠖仿生結(jié)構(gòu)的特點是總有一節(jié)運動單元以某種方式支撐在運動表面上，其他節(jié)在身體縱向上可能伸長或者縮短。尺蠖運動是以能夠泊位在運動表面為基礎(chǔ)的，沒有這種能力就不能前進(jìn)。因此，尺蠖仿生運動的泊位能力非常關(guān)鍵。在工業(yè)管道中，管道基本上都是剛性的，機(jī)器人僅可以以某種方式壓緊管道以獲得足夠的摩擦力來提高泊位能力。但是，在人體腔道中，腸道組織卻是一種柔軟的、易于發(fā)生大變形的、表面摩擦系數(shù)極小的粘彈性生物組織。機(jī)器人變形小，則產(chǎn)生的摩擦力小，運動時會打滑；機(jī)器人變形大，可能會超過消化道組織的生理耐受極限，極可能引發(fā)醫(yī)療事故。

二、支撐方式

基于此，以往的研究者主要探討了三種支撐方式。第一種為氣囊式，氣囊具有一定的柔性，但是存在變形量大會引起腸道組織的破損；第二種為機(jī)械式，機(jī)構(gòu)外形幾乎不發(fā)生變化，控制類似鉗子的運動結(jié)構(gòu)交替支撐在腸壁上來實現(xiàn)尺蠖牽引，但會對腸道內(nèi)壁產(chǎn)生一定的損傷；第三種為吸附式，使用抽真空方法將腸壁吸附在驅(qū)動器表面。由于腸壁存在絨毛，因此吸附力量比較小。與尺蠖牽引方式的研究相比，蚯蚓仿生牽引方式研究的報道較少。歷來的研究多集中于機(jī)器人在橡膠表面、木材表面、玻璃表面上的實驗研究，對于其內(nèi)在的運動與力的關(guān)系很少作過深入的研究。顯然，協(xié)調(diào)而有效的運動控制缺少這種量化的模型而變得不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

另外，該牽引方式在水平表面運動時，運動有效性對摩擦力不是非常敏感。但是，在爬坡狀態(tài)時，卻極大地依賴于機(jī)器人與運動表面的摩擦系數(shù)，而不是摩擦力。在人體環(huán)境中，坡度是難以避免的，因此在蚯蚓仿生牽引方式中必須提高機(jī)器人的爬坡能力。驅(qū)動器的研究主要集中在形狀記憶合金驅(qū)動、氣動、微電動機(jī)驅(qū)動等方式上。在人體腔道的狹小空間中，這些驅(qū)動方式有著共同的特點，即可以進(jìn)行微型化，但是程度不一，在驅(qū)動能力、適用性、實用性等方面也各有特點。形狀記憶合金驅(qū)動的具有功重比高、驅(qū)動力較大、體積微小等特點，適宜于微小空間，是歷來研究者經(jīng)常使用的驅(qū)動方式。氣動方式具有一定的柔性，對人體腔道的生理兼容性良好。

供氣控制裝置一般都在體外，通過一根供氣管道與進(jìn)入人體的驅(qū)動器連接，不僅可以減小樣機(jī)體積，而且具有較大的驅(qū)動力輸出。壓電驅(qū)動具有體積小、剛度大、位移分辨率及定位精度高、頻率響應(yīng)高、無噪聲、易于控制等優(yōu)點，不足是驅(qū)動位移太小和驅(qū)動電壓大。微電動機(jī)（直徑≤10mm）驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、效率較高，前提必須將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。人體消化道特殊的運動環(huán)境對驅(qū)動器的體積提出了嚴(yán)格的限制，直徑小、長度小是設(shè)計的目標(biāo)所在。如何在有限的狹小空間內(nèi)，設(shè)計出有效的減速增力機(jī)構(gòu)和運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，面臨著許多優(yōu)化問題。

三、結(jié)語

綜上可見，微型機(jī)器人距離臨床推廣還有不少的問題亟待解決，但這些問題是可以預(yù)見解決的，在不久的將來，我們或許可以看到這些小小的忙碌在臨床上的蠕蟲樣裝置。它的出現(xiàn)會開創(chuàng)無創(chuàng)介入胃腸道的新紀(jì)元，屆時，胃腸道的低侵襲檢查將易于實現(xiàn)。這項技術(shù)將有助于胃腸道惡性腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)、早期治療，改變胃腸道惡性腫瘤致死率居高不下的格局。

作者：王坤東 單位：上海交通大學(xué)儀器科學(xué)與工程系