Kompakter chirurgischer Roboter verwendet integriertes Feedback für die Genauigkeit auf Mikrometerebene

Die Kontrolle von Mikrorobots mit extremer Präzision ist für empfindliche chirurgische Verfahren von entscheidender Bedeutung, aber herkömmliche Rückkopplungssysteme sind sperrig und extern abhängig. Jetzt haben Forscher einen winzigen chirurgischen Roboter entwickelt, der seine Bewegungen von innen heraus sieht und korrigiert. Durch das Einbetten einer Miniaturkamera und die Verwendung interner visueller Verfolgung ermöglicht das System die Selbstkorrektur in Echtzeit während der Bewegung, wodurch die Notwendigkeit externer Sensoren beseitigt wird. Mit der Steuerung der integrierten Schleife erreichte dieser Origami-inspirierte Roboter unter externen Kräften die Genauigkeit und Stabilitätsgenauigkeit auf Mikrometerebene. Die Innovation markiert die erste Demonstration interner visueller Feedback in mikro-robotischen Systemen und ebnet den Weg für kompakte, autonome chirurgische Werkzeuge, die tief im menschlichen Körper arbeiten können.

In der Mikrochirurgie ist jedes Mikron von Bedeutung. Das Erreichen einer präzisen Bewegung in Roboterinstrumenten wird durch Umweltkräfte, Benutzer -Zittern und die Grenzen herkömmlicher Aktuatoren kompliziert. Obwohl piezoelektrische Strahlen hervorragende Kraft und Reaktionsfähigkeit bieten, kämpfen sie mit Drift und Hysterese, es sei denn, sie ergänzt durch Echtzeit-Feedback. Die meisten Systeme stützen sich auf externe Kameras oder Dehnungssensoren für die Korrektur, diese führen jedoch für minimal invasive Anwendungen problematisch vor. In der Zwischenzeit versprechen konforme Mechanismen eine kompakte und hinterer-freie Bewegung, erfordern jedoch eine genaue Erkennung, um in klinischen Umgebungen praktikabel zu sein. Aufgrund dieser Herausforderungen besteht ein dringender Bedarf an einer leichten, hochauflösenden, internen Rückkopplungssystem, um eine stabile und autonome mikrorobotische Kontrolle zu ermöglichen.

In einem wegweisenden Fortschritt haben Forscher des Imperial College London und der University of Glasgow den ersten Mikrorobot erstellt, der seine Bewegung mit visuellem Feedback in Bord kontrolliert. Veröffentlicht (doi: 10.1038/s41378-025-00955-x) am 29. Mai 2025 in in Microsystems & NanoengineeringDie Studie führt einen piezoelektrisch gesteuerten Delta-Roboter ein, der mit einer eingebauten Endoskopkamera und ApriltAG-Markern für die interne visuelle Verfolgung verbessert wird. Dieser Ansatz eliminiert externe Erfassungshardware und ermöglicht die Bewegungskorrektur mit geschlossener Schleife innerhalb eines in sich geschlossenen Systems. Das kompakte Design und die präzise Kontrolle eröffnen neue Möglichkeiten für mikrochirurgische Werkzeuge der nächsten Generation.

Der Microrobot, inspiriert von Delta-Mechanismen und Origami-Strukturen, wird unter Verwendung von piezoelektrischen Strahlen betätigt, die in ein 3D-gedrucktes konforme Rahmen integriert sind. Durch das Ersetzen traditioneller Gelenke durch Biegerelemente erreichte das Team eine präzise, rückläufige Bewegung über drei Freiheitsgrade. Für Feedback haben sie eine Miniatur -Boorscope -Kamera unter der Plattform des Roboters eingebettet, um Apriltag -Treue in Echtzeit zu verfolgen. Mit diesen Bordbildern stellte ein PID-basiertes Steuerungssystem die Bewegung des Roboters kontinuierlich an, um programmierte Pfade zu folgen und Störungen wie die Schwerkraft auszugleichen.

Der Roboter war in der Lage, komplexe 3D -Trajektorien mit hoher Wiederholbarkeit zu verfolgen. Es erzielte eine Wurzel-Mittelwerte-Bewegungsgenauigkeit von 7,5 μm, eine Präzision von 8,1 μm und eine Auflösung von 10 μm. In Nebenseitigkeitsvergleich übertriffte das Closed-Loop-System konsequent übertrieben, insbesondere wenn externe Kräfte angewendet wurden. Das System zeigte auch Resilienz unter Last und hielt auch bei Vorhandensein absichtlicher Störungen die Flugbahnstabilität aufrecht. Im Vergleich zu vorhandenen Mikromanipulatoren kombiniert diese Lösung eindeutig die Erfindung der Onboards, die Einfachheit der Herstellung und die chirurgische Anpassungsfähigkeit. Es ist das erste System dieser Art, das kompaktes internes visuelles Feedback für die autonome Bewegungskorrektur integriert und ein beispielloses Maß an Autonomie und Steuerung für Tools bietet, die im Mikromaßstab arbeiten.

Diese Entwicklung stellt eine Paradigmenverschiebung der Mikro-Robotik dar. Unser Ansatz ermöglicht es einem chirurgischen Mikrorobot, seine eigene Bewegung zu verfolgen und anzupassen, ohne sich auf die externe Infrastruktur zu verlassen. Durch die direkte Integration von Vision in den Roboter erreichen wir eine höhere Zuverlässigkeit, Portabilität und präzisionskritische Merkmale für medizinische Anwendungen in der realen Welt. Wir glauben, dass diese Technologie einen neuen Standard für zukünftige chirurgische Instrumente legt, die unabhängig im menschlichen Körper arbeiten müssen. „

Dr. Xu Chen, Hauptautor der Studie

Das kompakte, selbstregulierende Design des Roboters macht es ideal für Anwendungen in minimal invasiven Operationen, z. Das interne Kamerasystem beseitigt die Abhängigkeit von externen Geräten und ermöglicht die Verwendung in engen, sterilen oder elektromagnetisch verrauschten Umgebungen. Zukünftige Verbesserungen wie höhere Frame-Rate-Kameras und fortgeschrittene Tiefenverfolgung könnten ihre Reaktionsfähigkeit und die Z-Achse-Auflösung steigern. Mit der Skalierbarkeit bis hin zu Sub-Centimeter-Größen kann diese Plattform Tools für die Endomikroskopie, die Neurochirurgie und darüber hinaus unterstützen. Die Fähigkeit, sich intern zu bewegen, könnte bald eine hohe Präzisionsroboterchirurgie tragbarer, zuverlässiger und zugänglicher machen.

Quellen: