Kompaktní chirurgický robot používá vestavěnou zpětnou vazbu pro přesnost na úrovni mikronu

Ovládání mikrorobotů s extrémní přesností je zásadní u jemných chirurgických zákroků, ale tradiční systémy zpětné vazby jsou objemné a externě závislé. Nyní vědci vyvinuli malého chirurgického robota, který vidí a opravuje své pohyby zevnitř. Vložením miniaturní kamery a pomocí interního vizuálního sledování umožňuje systém během pohybu samoobslužné úpravy v reálném čase, což eliminuje potřebu externích senzorů. S na palubní kontrolou uzavřené smyčky dosáhl tento robot inspirovaný Origami na přesnosti mikrometrů a stabilitu-dokonce i pod vnějšími silami. Inovace představuje první demonstraci vnitřní vizuální zpětné vazby v mikro-robotických systémech a připravuje cestu pro kompaktní autonomní chirurgické nástroje schopné fungovat hluboko uvnitř lidského těla.

V mikrochirurgii záleží na každém mikronu. Dosažení přesného pohybu v robotických nástrojích je komplikováno environmentálními silami, třesem uživatele a omezeními konvenčních akčních akčních druhů. Ačkoli piezoelektrické paprsky nabízejí vynikající sílu a citlivost, bojují s driftem a hysterezí, pokud není doplněna zpětnou vazbou v reálném čase. Většina systémů se spoléhá na externí kamery nebo senzory kmenů pro korekci, ale tyto představují pro minimálně invazivní aplikace-problematické výzvy. Mezitím kompatibilní mechanismy slibují pohyb kompaktní a bez odporu, ale stále vyžadují přesné snímání, aby bylo v klinických prostředích životaschopné. Kvůli těmto výzvám existuje naléhavá potřeba vyvinout lehký systém s vysokým rozlišením, vnitřní zpětnou vazbu, který umožňuje stabilní a autonomní mikrorobotickou kontrolu.

V průkopnickém pokroku vytvořili vědci z Imperial College London a University of Glasgow první Microrobot, který ovládá jeho pohyb pomocí plně palubní vizuální zpětné vazby. Publikováno (DOI: 10.1038/S41378-025-00955-X) 29. května 2025, in v Microsystems & NanoengineeringStudie představuje piezoelektricky řízený delta robot vylepšeného vestavěnou endoskopovou kamerou a apriltag markery pro interní vizuální sledování. Tento přístup eliminuje hardware externí snímání a umožňuje korekci pohybu s uzavřenou smyčkou v samostatném systému. Kompaktní design a přesná kontrola otevírají nové možnosti pro mikrochirurgické nástroje nové generace.

Mikrorobot, inspirovaný delta mechanismy a origami strukturami, je ovládán pomocí piezoelektrických paprsků integrovaných do 3D tištěného kompatibilního rámce. Tím, že nahradil tradiční klouby prvky založenými na ohybu, dosáhl tým přesný pohyb bez odporu přes tři stupně svobody. Pro zpětnou vazbu zabudovali miniaturní borescope fotoaparát pod platformu robota, aby sledovali Apriltag Fiducials v reálném čase. Pomocí tohoto palubního snímku řídicí systém založený na PID nepřetržitě upravil pohyb robota tak, aby sledoval naprogramované cesty a kompenzoval poruchy, jako je gravitace.

Robot byl schopen sledovat komplexní 3D trajektorie s vysokou opakovatelností. Dosáhl přesnosti pohybu kořenového průměru 7,5 μm, přesnost 8,1 μm a rozlišení 10 μm. V porovnání vedle sebe systém uzavřené smyčky důsledně převyšoval ovládání s otevřenou smyčkou, zejména když byly aplikovány vnější síly. Systém také prokázal odolnost při zatížení a udržované stabilitě trajektorie i v přítomnosti úmyslných poruch. Ve srovnání s existujícími mikromanipulátory tento roztok jedinečně kombinuje snímání na palubě, jednoduchost výroby a chirurgickou přizpůsobivost. Je to první systém svého druhu, který integruje kompaktní interní vizuální zpětnou vazbu pro autonomní korekci pohybu a nabízí bezprecedentní úroveň autonomie a kontroly nástrojů působících v mikro-měřítku.

Tento vývoj představuje posun paradigmatu v mikrobotice. Náš přístup umožňuje chirurgickému mikrorobotu sledovat a upravit svůj vlastní pohyb, aniž by se spoléhal na externí infrastrukturu. Integrací vidění přímo do robota dosáhneme vyšší spolehlivosti, přenositelnosti a přesnosti kritických vlastností pro lékařské aplikace v reálném světě. Věříme, že tato technologie stanoví nový standard pro budoucí chirurgické nástroje, které potřebují fungovat samostatně v lidském těle. “

Dr. Xu Chen, hlavní autor studie

Kompaktní, samoregulační design robota je ideální pro aplikace v minimálně invazivní chirurgii, jako jsou navigační katétry nebo provádění resekcí laserové tkáně. Jeho interní kamerový systém odstraňuje závislost na externím zařízení, což umožňuje použití při omezeném, sterilním nebo elektromagneticky hlučném prostředí. Budoucí vylepšení podobné s vyššími kamerami s rámečkem a pokročilé sledování hloubky by mohly zvýšit jeho citlivost a rozlišení osy Z. Se škálovatelností na velikosti subcentimetru má tato platforma potenciál podporovat nástroje pro endomikroskopii, neurochirurgii a dále. Schopnost samoopravovat pohyb interně by mohla brzy zvýšit přenosnou, spolehlivější a přístupnější robotickou chirurgii.