师法章鱼：折纸机械臂可用于内窥镜检查、导管等微型医疗设备

8月31日，国际知名学术期刊《美国科学院院报》上一项最新研究报告了一种受章鱼启发的折纸机械臂，未来有望用于内窥镜检查、插管等医疗应用。

“该机械臂变形模式多样，控制灵活，适宜复杂环境空间内的定位操作。其次，该机械臂采取无线磁场控制，功率源与驱动器无任何物理连接，因此该系统十分易于小型化和在受限空间内进行灵活和精确的作业。”论文共同第一作者吴帅与迮弃疾对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者介绍道。

迮弃疾表示，一些医疗场景（如内窥镜手术）操作空间十分有限，需要导管前端具有灵活和精准的定位控制，而这些控制通常不易从远端施加或容易对病人造成损伤。此项研究的磁驱动折纸机械臂具有柔顺结构，对人体损伤小，并能远程操控，无需管线，减少手术创伤，可以很好地弥补现有医疗设备的一些缺点。此外，现在已有一些成熟的磁场控制医疗设备，比如核磁共振（MRI），因此可以方便地将该机械臂技术向实际应用推进。

用于医疗的折纸机械臂  图片来源于受访者

该研究论文标题为《Stretchable origami robotic arm with omnidirectional bending and twisting》（万向弯曲和扭曲的可伸缩折纸机械臂），通讯作者为斯坦福大学教授赵芮可（原俄亥俄州立大学），以及佐治亚理工学院教授Glaucio H. Paulino。

论文指出，与传统依靠关节连接提供旋转和平移自由度的机械臂相比，章鱼的软臂能够进行更复杂的运动，例如大幅度变形、迅速捕食等。受此启发，人们探索了将折纸柔顺机构用于实现各种尺度的机械运动，可应用于生物医学设备和航空航天等工程领域。

折纸机械臂模拟章鱼进行收缩、展开、弯曲  图片来源于论文

人们已经研究了不同折纸机制让机械臂进行收缩、展开、弯曲等运动，然而，大多数现有折纸机械臂运动的自由度有限，比如只能收缩或展开、单向弯曲和双向弯曲。虽然已经有了具有多个自由度的集成运动系统，但这通常依赖多个笨重的制动器或有线驱动（例如电机和气动泵），严重限制了机械臂在一些环境中的灵活性与功能发挥。

此项工作中，研究人员使用Kresling折纸结构单元和磁驱动器设计了机械臂。每个Kresling单元上有一个磁驱动器，磁化方向经特殊设计，保证施加外加磁场时不同节点产生不同转矩，实现机械臂的不同仿生变形模式和功能。他们设计了包括12个和18个单元的机械臂，这些机械臂能够实现多种集成的变形，并可以像章鱼臂一样拾取和操纵物体。

Kresling单元的驱动机制  图片来源于论文

关于此项研究的优势，迮弃疾介绍称，第一，机械臂可以同时实现伸缩、万向弯曲、扭曲等不同变形和物体抓取和操作等功能的集成；第二，灵活的设计自由度，可以通过定制Kresling单元数量及磁驱动器的磁化方向，满足不同的应用场合和目标功能需求；第三，采用远程磁场驱动，避免常规电机或气泵驱动所需的复杂管线，易于小型化和狭窄空间作业，特别适合人体内的一些应用环境。

“设计的过程中需要根据变形和功能的需求来设计折纸单元的数量、磁驱动器的磁化方向以及施加磁场的大小和方向，同时还需要考虑单元的机械和磁特性，该机械臂设计自由度高，但同时也带来了很多不同的设计变量需要考虑，设计过程较为复杂。”问及研发该折纸机械臂的过程的主要困难，吴帅表示。对此，他们考虑结合机器学习的方法辅助设计过程，之前的研究工作也曾借助优化算法来完成磁驱动机器人的设计，取得了很好的效果。

最后谈及未来发展方向，迮弃疾表示“我们希望进一步的推进在医疗方面的应用，比如，逐步进行肠胃模型实验和动物实验，并通过分析实验过程中遇到的困难，以及和医生了解真实的临床需求来优化机械臂的结构和功能设计。”

论文链接为：https://www.pnas.org/content/118/36/e2110023118