为医疗保健应用开发的折纸机器人

在模拟人类食道和胃的实验中，麻省理工学院(MIT)、谢菲尔德大学(University of Sheffield)和东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)的研究人员展示了一种微型折纸机器人，它可以从吞咽的胶囊中展开，并在外部磁场的引导下，爬过胃壁，取出吞咽的纽扣电池或修补伤口。

研究人员在本周的机器人与自动化国际会议上展示了这项新工作，它建立在麻省理工学院电气工程与计算机科学系安德鲁和埃尔纳·维特比教授丹妮拉·罗斯的研究小组关于折纸机器人的一系列论文的基础上。

罗斯同时也是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的负责人，他说:“看到我们的小型折纸机器人在医疗保健领域做一些潜在的重要应用，真的很令人兴奋。”“对于人体内部的应用，我们需要一个小型、可控、无束缚的机器人系统。如果机器人被拴在绳子上，控制机器人并将其放置在人体内部真的很难。”

与Rus一起完成这篇论文的是第一作者Shuhei Miyashita，他在CSAIL完成这项工作时是博士后，现在是英国约克大学电子学讲师;机械工程研究生史蒂文·吉特隆(Steven Guitron);李曙光，CSAIL博士后;东京工业大学的Kazuhiro Yoshida，他在麻省理工学院休假时完成了这项工作;以及英国谢菲尔德大学的达米安。

尽管这款新型机器人是去年在同一会议上报道的机器人的后续产品，但其身体的设计却有很大不同。像它的前辈一样，它可以使用所谓的“粘滑”运动来推动自己，在这种运动中，当它执行一个动作时，它的附属物通过摩擦粘在表面上，但当它的身体弯曲以改变重量分布时，它又会自由滑动。

和它的前任一样，也像罗斯团队的其他几个折纸机器人一样，新机器人由两层结构材料组成，中间夹着一层加热后会收缩的材料。外层的裂缝模式决定了机器人在中间层收缩时的折叠方式。

材料的区别

机器人的预期用途还要求对结构进行大量修改。吉特隆说:“只有当机器人足够小，机器人足够硬时，粘滑才有效。”“原来的聚酯薄膜设计比基于生物相容性材料的新设计要坚硬得多。”

为了弥补生物相容性材料的相对延展性，研究人员不得不提出一种需要更少缝隙的设计。与此同时，机器人的褶皱在某些轴上增加了它的刚度。

但由于胃里充满了液体，机器人并不完全依赖于粘滑运动。Miyashita说:“在我们的计算中，20%的前进运动是由推进的水推力引起的，80%是由粘滑运动引起的。”“在这方面，我们积极地将鳍的概念和特点引入并应用到车身设计中，你可以在相对平坦的设计中看到这一点。”

它还必须能够将机器人压缩到足以容纳在胶囊内进行吞咽;同样，当胶囊溶解时，作用在机器人上的力必须足够强，才能使它完全展开。通过吉特隆所描述的“主要是反复试验”的设计过程，研究人员设计出了一个矩形机器人，它的手风琴折叠处垂直于它的长轴，并将弯曲的角作为牵引力点。

在一个前手风琴折叠的中心是一块永久磁铁，它可以对身体外部不断变化的磁场做出反应，从而控制机器人的运动。施加在机器人上的力主要是旋转的。快速旋转会使它原地旋转，但较慢的旋转会使它绕着固定的一只脚旋转。在研究人员的实验中，机器人使用相同的磁铁来捡起纽扣电池。

猪的先例

在确定用于香肠肠衣的干猪肠类型之前，研究人员测试了大约十几种不同的结构材料的可能性。“我们花了很多时间在亚洲市场和唐人街市场寻找材料，”李说。收缩层是一种可生物降解的收缩包装，称为生物烯烃。

为了设计他们的合成胃，研究人员买了一个猪胃并测试了它的机械性能。他们的模型是胃和食道的开放横截面，由具有相同机械轮廓的硅橡胶制成。水和柠檬汁的混合物可以模拟胃里的酸性液体。

据报道，仅在美国，每年就有3500个纽扣电池被吞下。通常情况下，电池可以正常消化，但如果它们长时间接触食道或胃的组织，就会产生产生氢氧根的电流，灼伤组织。Miyashita采用了一个聪明的策略来说服Rus，移除被吞下的纽扣电池和随之而来的伤口治疗是他们的折纸机器人的一个引人注目的应用。

罗斯说:“舒黑买了一块火腿，他把电池放在火腿上。”“不到半小时，电池就完全浸在火腿里了。这让我意识到，是的，这很重要。如果你体内有电池，你真的会希望它尽快取出来。”

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，
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