胃肠道环境下双气囊微机器人内窥镜的运动机理研究

本项目综合利用生物医学工程、机械电子学、临床医学、计算机技术等相关学科的知识，围绕双气囊式机器人内窥镜对胃肠道环境的运动有效性、生物安全性进行基础性研究。重点解决非结构环境下多毛纲环节动物门的仿生运动学、动力学建模以改进现有的为机器人机构及控制方法，探索活体胃肠道的推进运动、往返运动、蠕动等运动形式对为机器人可能产生的影响，在此基础上通过活体胃肠道的生物力学特性建立肠道-机器人的作用模型，解决微型机器人在不损伤肠道的前提下如何尽可能地提高其运动的有效性问题，并通过样机系统的活体胃肠道爬行实验进行验证。

本项目针对微型机器人介入胃肠道粘弹性组织时的牵引机理问题进行了广泛和深入的研究。主要完成了双气囊式尺蠖蠕动型机器人在胃肠道内运动的数学建模工作，并对蠕动牵引原理进行了离体和活体猪肠道下的样机验证。首先，对蠕动爬行的仿生原理进行了探索，并对人体肠道活体状态下的运动环境进行了分析，进行了尺蠖运动的动力学分析和两端运动单元径向扩张、中间轴向伸缩运动的仿生学设计，实现了径向扩张过程中压力检测和轴向伸缩过程中的力和速度的检测。其次，进行了肠道与机器人作用模型的分析工作，以粘弹性生物组织的力学模型为基础上，进行了机器人在胃肠道中牵引力和柔性适应相关的研究工作，获得了牵引力和气囊内压力的关系方程从而为牵引力的检测提供了方法，并提供了在弯曲肠道中关节的自调整。在理论研究的基础上，完成了3代“双气囊式胃肠道介入诊疗机器人”研制并进行了相关的性能测试。机器人系统由头尾2节可径向扩张收缩的气囊以及中部1节直线驱动单元构成，机器人直径变化范围为20-60 mm，长度不大于150 mm，机器人防水性良好，考虑机器人在胃肠道内的机动和灵活性，研制成微型仿生机器人无线供能系统，实现了对机器人系统的无线供能，机器人以无线双工通信的方式进行运动控制。该机器人对胃肠道无刺激，具有良好的生物相容性，能够在胃肠道中安全、有效、可靠的运动，实时传输胃肠道内图像，并可选择性的搭载活检、热疗模块进入胃、结肠、十二指肠及部分小肠完成作业；本研究开展了离体和活体试验研究，实现了微型仿生机器人在胃肠道内的驱动运动、微创检测，验证了牵引原理的有效性、适用性、安全性。最后，在上海第六人民医院和上海浦东新区人民医院进行了9头次活体猪临床实验，结果表明该基于该原理的样机在肠道中具有良好的相容性。本研究授权国家发明专利3项、发表学术论文6篇，培养在读硕士生2 名、博士生1名。