藤蔓机器人不靠“推”靠“长”,进人体为什么更不容易受伤

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10-28 19:33

藤蔓机器人进入人体腔道,靠的不是从基部往前推,而是用气压把柔软管体从尖端一点点往外翻、就地长成新的身体。真正在动的只有尖端新生出的一圈薄膜边缘,已经进入人体的管身几乎原地不动:既不沿管壁滑动,也就不会把推力顶在组织上。传统导管推入中最常见的两类损伤来源——整条管身在弯曲路径上的摩擦、软细长管受压后突然屈曲成圈——都被这种"生长"的方式绕开了。哔哩哔哩

这套思路源自斯坦福大学机械工程师的早期藤蔓机器人:由充气控制系统、摄像头和塑料软管组成,向管内充气它就生长,最初是为地震废墟搜救设计的。最新的一步,是南丹麦大学、新加坡南洋理工大学、上海交通大学等机构2025年10月发表在《Science Advances》上的工作:他们把一套转向机构集成到这种尖端外翻生长的机器人上,生长本身只需约2psi、也就是约14千帕的内压,把内层薄膜从尖端翻出来即可。微博知乎

要看懂它的价值,得先明白"推"为什么会伤人。导管、导丝软而细长,从基部推进时,每一段弯曲路径上的摩擦都会累积——就像绳子绕在弯管上,拉力会沿路径一段段衰减。从体外施加的推力,走到弯路远端时往往所剩无几,剩下的力无处可去:要么把管身拱起来成圈,要么集中顶在尖端那一个点上。胃壁、肠壁这类薄壁组织,最怕的恰恰是这种局部集中的载荷。

新论文解决的是另一半难题:怎样不用一堆电机,就让管身拐弯、定型。设计者让两根腱穿过一串弯曲鞘段,利用摩擦让拉力从尖端向基部逐段衰减,拉腱时弯曲就从尖端开始一节节向基部传播;拉和放的顺序不同,同一个机器人能停在不同形状上——控制领域一向竭力消除的"迟滞",被反过来变成了功能。两个电机控制n段,理论形状数是3的n次方,3段就是27种,6段有729种。论文的对比是:传统三节连续体机器人需要6个电机才能覆盖的工作空间,这套设计只用2个电机,覆盖面积反而更大。知乎

对人体内的应用,有三个能力点最关键。其一,转弯的力产生在机器人身体内部,管身不再需要被外部推力压着贴壁拐角。其二,弯好的形状能自己维持,不需要持续发力锁定——实验显示,即使弯曲间隙只部分闭合,机器人也能保持住配置,不借助任何额外锁止机构。其三,需要撤出或换方向时,它可以让尖端先缩短收回,不必把整条身体重新从腔壁上拖过去。研究团队用1.2米长的样机演示了全过程:在障碍密布的狭小空间里生长、绕开障碍、扭出S形,再缩回尖端换一条岔路继续探索。知乎

"进人体"的方向上,国内已有直接动作。哈尔滨工业大学团队研制的毫米级连续体机器人同样发表在《Science》子刊,思路就是模仿藤蔓向腔内生长,目标是降低胃、心脏等腔室介入手术的风险。哔哩哔哩

边界也要说清楚:这些"生长式"机器人目前仍停留在原理样机与实验验证阶段,尚无一款进入临床应用。生长意味着材料不断留在体内,长出来的管身占据腔内空间会不会带来新问题、材料的生物相容性与灭菌、腔内如何实时看清它的位置,都是进临床之前要跨的坎。但方向已经足够清楚:让器械自己适应人体的弯,而不是让人体去承受器械的顶。

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