Eversion-based robots can enable safe access,steering and endoscopic imaging within the spinal subarachnoid space
本文介绍了一种直径为 2 mm 的基于翻转机制的机器人平台，该平台能够在人体脊髓蛛网膜下腔内实现安全、低摩擦的导航、转向和实时成像，并在尸体研究中证明，与传统的导管插入相比，其显著降低了组织相互作用力且未观察到神经损伤。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你戴着厚厚的隔热手套尝试穿针引线，但那根针其实是一个机器人，而“线”则是你脊椎内部一个脆弱的、充满液体的通道。这就是椎管内导航的世界——医疗机器人领域中一个高风险的领域，工程师们试图引导微型工具穿过脊髓蛛网膜下腔。这个空间是一个狭窄、柔软、充满水的走廊，里面挤满了脆弱的神经和脊髓，全部包裹在一层被称为硬脑膜的薄薄保护膜内。目标是什么？是在不刺破或撕裂任何东西的前提下，向这个深邃的通道内部输送药物或进行成像。
几十年来，到达那里的标准方法就像通过一根吸管推一根长而硬的绳子。你从后端（近端）向前推，前端随之移动。但问题在于：当你推动时，整根绳子都会摩擦吸管的壁面。在像脊柱这样狭窄且柔软的空间里，这种摩擦会产生阻力和拖拽力，使得难以精确控制前端的转向，并增加了刮伤或损伤敏感神经的风险。这就像是通过推汽车的后保险杠来驾驶汽车；你推得越远，就越难控制前部。这篇论文探讨了一种完全不同的移动方式：与其将整个机器人向前推，如果机器人能像藤蔓一样，只在最前端“生长”出来呢？
由 Zicong Wu 及其同事领导的研究团队开发了一款名为 Vine4Spine 的机器人，它正是这样运作的。它没有采用在脊管内滑动长管的方式，而是使用了一个巧妙的技巧，叫做“翻转”（eversion）。想象一只被反过来穿的袜子：如果你握住袜口并向外拉扯脚尖端，袜子会自我翻转并向前延伸，但已经落在地板上的部分会保持静止不动。Vine4Spine 机器人的原理与之相同。它有一个折叠的薄管（鞘管）位于一个腔室内部。通过向腔室内泵入液体，机器人迫使管子的顶端发生翻转并向前延伸。神奇之处在于，已经延伸出来的机器人部分相对于脊柱壁是静止的，这意味着它完全不会与娇嫩的神经发生摩擦或滑动。
该团队分三个阶段测试了这个想法。首先，他们建立了一个计算机模型来观察力的作用方式。接着，他们在一种看起来、感觉起来都像真实脊柱的透明塑料模型上进行了测试。最后，他们将其应用于人类尸体（捐赠给科学研究的遗体），以观察它在真实的、复杂的真人脊柱中是否有效。
结果令人印象深刻。在塑料脊柱模型中，与传统的“推动”法相比，这种“生长型”机器人在平均水平上减少了约 65.2% 的壁面压力，在峰值水平上减少了 48.0%。这就像是将沉重且有拖拽感的雪橇换成了静音滑行的气垫船。计算机模型显示，这种生长型机器人并不会像“推动型”那样在某一点聚集压力（例如顶端刺伤神经），而是将压力均匀地分布在整个长度上，因此对组织更加温和。
当他们在人类尸体上进行测试时，机器人成功地通过腰部的一个标准进针点，深入脊管延伸了 150 毫米（约 6 英寸）。它不仅能移动，还能左右转向，甚至能凭借内置在顶端的微型摄像头，在移动过程中实时拍摄神经和脊髓的视频图像。在移除机器人后，外科医生仔细检查了脊柱，发现没有撕裂、淤青，也没有对保护层或神经造成任何损伤。
然而，作者们非常谨慎，并未称其为明天就能进入医院的成品。他们强调，这只是一个使用单具尸体进行的“概念验证”，因为尸体并不具备活人那样的流体压力或心跳。他们还指出，该机器人目前仍处于研究原型阶段。但这项研究表明，这种“生长式”的方法可能会成为一个游戏规则的改变者，提供一种比现有方法更安全、更可控的脊柱导航方式，从而为未来更好地治疗疼痛和其他神经系统疾病打开大门。
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