东方时讯网借鉴用于生产光纤的方法，EPFL和帝国理工学院的研究人员创造了基于光纤的软机器人，其具有先进的运动控制功能，集成了其他功能，例如电和光传感以及有针对性的流体输送。
近几十年来，基于导管的手术已经改变了医学，为医生提供了一种微创方式来做任何事情，从放置支架和靶向肿瘤到提取组织样本和为医学成像提供造影剂。虽然今天的导管是高度工程化的机器人设备，但在大多数情况下，将它们推过身体到达干预部位的任务仍然是一个手动且耗时的过程。
EPFL工程学院光子材料和光纤器件实验室的研究人员将功能性纤维的发展与智能机器人技术的发展相结合，创造了多功能导管状软体机器人，当用作导管时，可以远程引导到他们的目的地，甚至可能通过半自主控制找到自己的方式。该研究的首席研究员FabienSorin说：“这是我们第一次能够以如此可扩展的方式生成柔软的导管状结构，这种结构可以集成复杂的功能，并有可能在体内被引导。”他们的工作发表在《高级科学》杂志上。
研究人员使用常用于生产光缆的热拉制工艺制造光纤，类似于从火锅中拉出一长串奶酪并使其变硬。材料的选择至关重要，弹性体是首选材料——弹性聚合物在拉伸时会恢复到原来的形状：除了柔韧之外，它们还足够柔软，可以最大限度地减少脆弱身体组织的损伤。但是，该研究的第一作者AndreasLeber说，“从历史上看，热拉伸仅限于硬质材料。幸运的是，我们小组已经确定了一类热塑性弹性体，可以拉伸并在拉伸后保持其弹性性能。”
集成运动控制、传感和药物输送
为了生成沿其整个长度具有多个通道的长纤维，研究人员必须微调拉伸工艺参数。FabienSorin说：“这个过程的一个重要特征是材料的粘度和表面张力之间的相互作用，这可以让你拉出连续的纤维，表面张力会导致其中的通道坍塌。”
通过获得恰到好处的材料特性、拉丝速度和温度，该团队可以可靠地生产出连续的通道，这些通道以微米级精心排列在纤维内，为纤维提供机器人功能所需。例如，通过使用电机拉动引入通道的一个或多个肌腱——智能导管中一种行之有效的方法——医生可以控制纤维末端的方向以引导它穿过身体。
除了通道之外，纤维还可以使用热拉伸工艺配备各种元件。“除了肌腱之外，纤维还可以集成光导、电极和微通道，从而实现药物输送、成像、电记录和刺激，以及机器人和医疗应用中常用的其他工具，”Leber解释说。
这些功能元素也为自主纤维形机器人打开了大门。“集成的光导赋予光纤视觉感。它们可以检测并避开其轨迹中的障碍物，甚至可以自行找到目标物体，例如空腔，”Leber继续说道。这项工作的关键是实验室团队从头开始开发的复杂控制算法和软件用户界面。
高度可扩展的制造
虽然听起来很复杂，但这些多材料纤维的生产非常简单。“我们使用了非常可扩展的光纤制造技术。你可以在一夜之间生成数百公里的光纤。因此，我们的制造方法带来了一种新颖的、可扩展的方式来制造软导管状结构，并前所未有地结合了先进的功能，”索林说。
远程控制导管只是这种新型基于纤维的软体机器人可以实现的许多令人兴奋的潜在应用之一。“基于肌腱的运动控制方法是热拉制智能导管开发的第一步。下一步将涉及转向电或磁致动模式，并测试这种纤维的激动人心的机会，离临床应用又近了一步，”BurakTemelkuran说，他是帝国理工学院哈姆林机器人外科中心的合著者和小组组长。
智能床垫、软假肢和工业机器人
软机器人纤维在人体之外也有丰富的应用。床垫可以配备它们来监测睡眠质量或根据感知到的压力和生理参数改变它们的材料特性，让用户睡得更好。
这些纤维可用于制造柔软的假肢，能够通过变得更硬来应对关节上的过度机械应力。工业或环境传感应用可能包括自导软体机器人，它们根据集成热传感器、触觉传感器，甚至用于视觉的电气和光学系统感知的信息进行导航。