孫志峻，楊建林

(南京航空航天大學(xué) 機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

消化道疾病是我國人群中的常見病和多發(fā)病。胃鏡和腸鏡的檢查能夠直接觀察到被檢部位的真實情況，并可以通過對病變部位進行病理活檢及細胞學(xué)檢查，從而得到進一步診斷[1-3]。但是傳統(tǒng)的胃鏡和腸鏡檢查方法中鏡身必須從受檢者口腔或者肛門進入消化道，患者在身體遭受痛苦的同時心理也會產(chǎn)生一定的恐懼，如果處理不當，還會造成交叉感染。

膠囊內(nèi)鏡因其在檢查消化道病變時具有操作簡單、檢查方便、無痛苦、無創(chuàng)傷以及無交叉感染等優(yōu)點，填補了胃鏡和腸鏡的檢查盲區(qū)，擴展了消化道檢查視野，尤其對可疑小腸病變具有很高的診斷價值，被醫(yī)學(xué)界譽為21 世紀內(nèi)窺鏡發(fā)展的革命與方向[4-5]。隨著人們對全腸膠囊內(nèi)鏡的需求越來越迫切，完全依賴消化道蠕動而被動運動的膠囊內(nèi)鏡已不能滿足醫(yī)學(xué)要求。如何讓膠囊內(nèi)鏡成為具有主動運動能力的膠囊機器人已成為解決這一問題的關(guān)鍵和突破點[6-10]。

目前，在研的膠囊機器人主動運動機構(gòu)主要集中于活檢機構(gòu)、行進與錨定機構(gòu)和給藥機構(gòu)這三個大類?；顧z機構(gòu)可以從人體內(nèi)提取病變組織，更加方便醫(yī)生的化驗與診斷。已有的結(jié)構(gòu)包括活檢鉗、活檢剃刀等。行進與錨定機構(gòu)是近年來膠囊機器人研究的重點，用于實現(xiàn)膠囊機器人在消化道內(nèi)主動爬行、轉(zhuǎn)向和駐留等功能，主要包括尺蠖式、磁驅(qū)動式、螺旋槳驅(qū)動等形式。給藥機構(gòu)主要作用是在膠囊機器人到達病變位置后進行施藥操作，能夠有效提高藥物的利用率，降低藥物副作用。

本文對膠囊機器人主動運動機構(gòu)的研究作了充分的梳理與總結(jié)。重點闡述了膠囊機器人的活檢機構(gòu)、行進與錨定機構(gòu)及給藥機構(gòu)等方面國內(nèi)外的研究思路及方法，并根據(jù)驅(qū)動形式的不同將各類機構(gòu)進行了分類；分析了這些驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，為膠囊機器人主動運動機構(gòu)進一步的研究提供參考。

1 活檢機構(gòu)

活檢機構(gòu)是一種可以從人體內(nèi)通過切取、鉗取或刺穿等方法取出病變組織的機構(gòu)。它方便醫(yī)生對患者體內(nèi)病變組織進行診斷和研究，了解病變，確定病變性質(zhì)進而決定手術(shù)方案。膠囊機器人的活檢機構(gòu)還未真正用于臨床，不過科研工作者對于膠囊機器人活檢機構(gòu)的研究從未停歇。目前膠囊機器人使用的活檢機構(gòu)主要分為活檢鉗式和活檢剃刀式兩類。

1.1 活檢鉗

膠囊機器人用活檢鉗一般是利用鉗刀切下人體病變組織樣本，并把組織樣本回收進膠囊內(nèi)的活檢裝置。不同于一般的內(nèi)窺鏡活檢鉗，它的動力由膠囊機器人內(nèi)部提供而不是人力，因此對膠囊機器人用活檢鉗的體積和能耗要求非常高。

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)精密工程及智能系統(tǒng)研究所顏國正教授帶領(lǐng)的團隊在微創(chuàng)診療設(shè)備領(lǐng)域做了很多積極有效的工作，他們開發(fā)過多款帶有主動運動機構(gòu)的膠囊機器人。圖1(a)是他們提出的一種膠囊機器人微活檢機構(gòu)[11]，它利用帶有鑷子的螺母在絲杠上移動，從而使鑷子可以伸出囊體夾持人體組織并回縮進囊體。該活檢鉗結(jié)構(gòu)是微小電機通過齒輪和絲杠螺母傳動將電機轉(zhuǎn)動變?yōu)殂Q口的伸出和縮回，然后再通過鉸鏈結(jié)構(gòu)帶動鉗口的開合。齒輪的轉(zhuǎn)動使絲杠旋轉(zhuǎn)，鉗口隨著在絲杠上旋轉(zhuǎn)的螺母伸出膠囊，進而在導(dǎo)槽的作用下張開。鉗口收回膠囊體時，逐漸閉合，從而帶著被夾持在鉗口槽中的人體組織縮進膠囊內(nèi)。

韓國國立全南大學(xué)的VIET Ha Le等提出的膠囊機器人微型夾持器活檢裝置則是利用磁鐵的轉(zhuǎn)動間接控制鉗口的開合，并將其應(yīng)用在ALICE膠囊機器人中[12]。圖1(b)為膠囊機器人及其活檢裝置的實物圖?；顧z裝置由一個帶有兩個刀片的活檢鉗和一個微型齒輪箱組成。通過磁鐵的旋轉(zhuǎn)帶動齒輪箱中的齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪機構(gòu)可將磁體的轉(zhuǎn)動力矩傳遞給夾持器，從而打開或關(guān)閉活檢鉗，進而提取活檢組織。

圖1(c)所示是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的PAN X等提出的帶倒齒微型活檢鉗[13]。該活檢鉗長度僅為3.35mm，倒齒寬度僅為0.2mm，通過齒輪齒條機構(gòu)帶動活檢鉗伸出縮回進行活檢操作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的YE D等在膠囊機器人中安裝微型活檢鉗，利用磁驅(qū)動活檢鉗伸出縮回[14]。利用限位機構(gòu)，使得活檢鉗到達一定位置就會打開。收回過程中，將活檢鉗限制在圓孔中，活檢鉗逐漸閉合，從而實現(xiàn)組織的夾取，圖1(d)為該機器人的CAD模型。北京航空航天大學(xué)的O. Tovmachenko等采用滑塊曲柄機構(gòu)，驅(qū)動三爪開合實現(xiàn)活檢操作,其CAD模型如圖1(e)所示[15]。

圖1 活檢鉗機構(gòu)

1.2 活檢剃刀

膠囊機器人用活檢剃刀機構(gòu)的運行動作與日常生活中的剃刀動作類似。但由于膠囊機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分狹小，如何實現(xiàn)剃刀機構(gòu)主動運動成為一個難點。

韓國國立全南大學(xué)的VIET Ha Le[16]針對膠囊機器人的活檢問題提出了一種由電磁驅(qū)動的智能觸發(fā)活檢裝置，它利用帶有橢圓孔的活檢裝置緊貼組織，從而使裝置中的剃刀剃下組織樣本。圖2(a)是活檢裝置的示意圖，由橢圓孔、連接彈簧的活組織切片剃刀、帶有微簧片開關(guān)的模塊、聚合物弦和形狀記憶合金(shape memory alloys, SMA)模塊組成。裝置首先被迫壓在組織處，在橢圓孔處有部分組織被壓緊嵌入到橢圓孔內(nèi)部，在旋轉(zhuǎn)磁場作用下機構(gòu)被啟動，當?shù)度薪?jīng)過橢圓孔時，嵌入其內(nèi)部的組織被刀刃剃下保存在貯存空間內(nèi)。圖2(b)所示是該團隊提出的磁驅(qū)動剃刀式活檢機構(gòu)，該機構(gòu)無需電池供能，由外部磁場驅(qū)動[17]。

圖2 活檢剃刀機構(gòu)

2 行進與錨定機構(gòu)

早期的膠囊內(nèi)鏡無法在人體腸道內(nèi)主動行走或駐留，只能隨著腸道的蠕動而移動。為了更好地觀察病灶位置、活檢取樣和定點施藥，越來越多的科研工作者提出了具有主動行進機構(gòu)及錨定機構(gòu)的膠囊機器人。它不但解決了膠囊內(nèi)鏡在人體內(nèi)無法移動的難題，還可以保證膠囊內(nèi)鏡以一定的速度和方向定向移動或停留，大大方便了醫(yī)生對病情的診斷和研究。

2.1 行進機構(gòu)

目前科研工作者所提出的行進機構(gòu)多種多樣，主要有：尺蠖類爬行、螺旋槳推動、旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動、蠕動前進及劃槳式爬行等。尺蠖身體的前后部位有類似吸盤的附件，中間軀干可以收縮和伸長，運動過程中前后吸盤交替作用，中間部位交替收縮和伸長，最終實現(xiàn)運動。尺蠖類膠囊機器人包括箝位、伸縮等模塊，在運動過程中模擬尺蠖的運動步序。該過程中箝位機構(gòu)主要通過氣動吸附、夾鉗、徑向擴張的方法增加機器人在腸道中的錨定力。

H Shu 等[18]提出了一種通過機械伸縮和錨定實現(xiàn)尺蠖式爬行功能的膠囊機器人。該結(jié)構(gòu)通過伸縮模塊和錨定模塊實現(xiàn)了仿尺蠖爬行的步態(tài)。其伸縮模塊主要依靠電機和絲杠傳動實現(xiàn)。錨定模塊則主要通過電機和齒輪傳動實現(xiàn)，最終實現(xiàn)的機器人直徑為14mm，長度為45mm，錨定最大直徑32mm，軸向伸縮長度為9.5mm。實物如圖3(a)所示。LUO Y等采用可展機構(gòu)作為仿尺蠖機器人的伸縮和錨定裝置，制作了機器人原理樣機, 如圖3(b)所示[19]。該裝置適合各種崎嶇的表面，是膠囊機器人行進機構(gòu)的有益探索。

在液體環(huán)境中，最常見的運動執(zhí)行器莫過于螺旋槳。螺旋槳驅(qū)動的膠囊機器人多為內(nèi)部電池供電，電機帶動螺旋槳驅(qū)動機器人前進。螺旋槳的作用主要用于控制膠囊前進的速度。徐建省等[20]設(shè)計的一種主動型無線膠囊機器人是由外部控制系統(tǒng)控制電機的運動方向及速度。膠囊機器人的頭部為半球形透明罩，后面依次為LED 燈、磁塊、攝像頭、無線通信控制模塊、電池、電機、螺旋槳。膠囊接收外部的電機控制指令，控制電機的啟停及轉(zhuǎn)動速度，電機帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)從而控制膠囊的運動速度。圖3(c)為膠囊結(jié)構(gòu)圖，從該圖中可以看出其為單螺旋槳膠囊，利用輪式驅(qū)動這種高效的前進方式。SUN Z等在膠囊機器人中采用磁驅(qū)動方式，讓磁鐵通過齒輪組帶動蝸桿，從而帶動作為驅(qū)動輪的4個蝸輪[21]。機器人三維模型如圖3(d)所示，樣機的行進速度為5.7mm/min。圖3(e)所示是HEE Man Kim等仿照劃槳，提出了劃槳式主動運動膠囊機器人[22]。槳片前進時阻力小，后退時阻力大，利用此原理，膠囊得以前進。機器人只需單個驅(qū)動源就可以實現(xiàn)前進和駐留，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本也較低。圖3(f)所示是蘇州大學(xué)的LI Juan等人提出的諧振式纖毛結(jié)構(gòu)膠囊機器人[23]。機器人內(nèi)部的壓電層膜驅(qū)動配重塊前后擺動，由于機器人外部的纖毛都指向后方，前進和后退的摩擦力不同，這樣機器人就可以依靠慣性力前進。仿照蚯蚓等動物的蠕動，上海交通大學(xué)的WANG Kungdong等提出了蠕動式膠囊機器人[24]。機器人共有5節(jié)，前后模塊依次按照順序運動，就可以實現(xiàn)蠕動式前進與后退。如圖3(g)所示，細長的機器人在結(jié)構(gòu)和尺寸上來看十分適合在腸道中運動。

旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動指在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，利用動壓原理使膠囊在腸道中高速螺旋前進。GAO Mingyuan等[25]設(shè)計了旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動膠囊機器人并進行了相應(yīng)的電磁驅(qū)動設(shè)計及仿真分析。葉波等[26]提出了一種新的基于單片機的手持式機構(gòu)，用于主動控制磁性螺旋型膠囊機器人，該膠囊機器人在豬小腸內(nèi)進行了離體運動實驗。ZHANG Yongshun等[27]設(shè)計實現(xiàn)的磁驅(qū)膠囊機器人，可在管道中垂直運動，并研究了轉(zhuǎn)彎的可行性。為了適應(yīng)變化的腸道直徑，設(shè)計了變直徑膠囊，采用三軸正交的亥姆霍茲線圈生成了一個空間全方位的磁場環(huán)境，提高了膠囊機器人外表面螺旋肋處的流體動壓力、推力和膠囊機器人的管徑適應(yīng)性。GUO S等人將膠囊機器人做成螺旋狀，在機器人內(nèi)部安裝磁鐵，利用外部磁場驅(qū)動機器人旋轉(zhuǎn)，從而使得機器人前進[28]。如圖3(h)所示，該機器人結(jié)構(gòu)十分簡單，很容易小型化。

韓國航空大學(xué)的KIM Ji Yoon等提出了一種自主調(diào)節(jié)的螺旋式膠囊機器人爬行機構(gòu)[29]，并在離體的豬小腸內(nèi)做了相關(guān)實驗，其結(jié)構(gòu)如圖3(i)所示。該結(jié)構(gòu)包括膠囊主體，兩個可旋轉(zhuǎn)和滑動的磁環(huán)、螺旋葉片。兩個磁環(huán)通過多個螺旋葉片相連。在外部磁場引導(dǎo)下，由磁場引導(dǎo)，膠囊機器人會跟隨外部磁場前進而前進。當腸道內(nèi)徑前后一致時葉片兩端的磁環(huán)與腸道摩擦力一致，不產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，膠囊只產(chǎn)生平移；當腸道內(nèi)徑前后有差異時葉片兩端的磁環(huán)與腸道摩擦力不一致，磁環(huán)產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，葉片產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，膠囊一邊旋轉(zhuǎn)一邊平移，旋轉(zhuǎn)運動有助于膠囊的平移前進。

圖3 行進機構(gòu)

2.2 錨定機構(gòu)

膠囊內(nèi)鏡在腸道中可以依靠腸道蠕動實現(xiàn)被動前進，從而對整個消化道進行檢查，然而整個過程中，膠囊的運動是不可控的，這就經(jīng)常導(dǎo)致難以獲得病變區(qū)域的清晰圖像。為此，膠囊機器人需要借助主動錨定機構(gòu)，以實現(xiàn)在特定位置駐留，從而看清病變區(qū)域。

圖4(a)所示是WOODS,S. P等提出的錨定裝置，該裝置采用電機驅(qū)動，通過齒輪組帶動曲柄滑塊機構(gòu)，從而將滑塊和連桿撐開實現(xiàn)錨定[30]。該膠囊機器人結(jié)構(gòu)緊湊，錨定裝置與腸壁接觸區(qū)域較大，可有效錨定而不損傷腸壁。A Mousa等基于轉(zhuǎn)動滑塊機構(gòu)提出一種結(jié)構(gòu)十分緊湊的錨定機構(gòu)[31]。如圖4(b)所示，該機構(gòu)使用微型電機同時驅(qū)動3個曲柄，從而帶動3根搖桿撐開，但該裝置機構(gòu)錨定足與腸壁接觸面積較小，安全性較低。

澳大利亞伍倫貢大學(xué)的ZHOU Hao等提出了一種基于同極相斥、異極相吸原理的腿式膠囊機器人錨定機構(gòu)[32]。該膠囊機器人的錨定機構(gòu)如圖4(c)所示。膠囊機器人上有兩個磁環(huán)，一個可旋轉(zhuǎn)，一個可上下滑動。可滑動的磁環(huán)通過鉸鏈與錨定腿相連。當撤除外部磁場時，由于異極相吸作用，滑動磁環(huán)靠近旋轉(zhuǎn)磁環(huán)，錨定腿收緊；當施加外部磁場時，由于同極相斥作用，滑動磁環(huán)遠離旋轉(zhuǎn)磁環(huán)，錨定腿張開，達到錨定作用。圖4(d)所示是該學(xué)者提出的另外一款帶錨定機構(gòu)的膠囊機器人[33]。該機構(gòu)采用外部磁場驅(qū)動新穎的可展機構(gòu)，該機構(gòu)伸縮比高，與腸壁接觸也較為溫和。

如圖4(e)所示，MA T等采用擺動滑塊機構(gòu)提出了一種膠囊機器人的錨定機構(gòu)[34]，該機構(gòu)與文獻[32]中的機構(gòu)類似。不同的是，該機構(gòu)采用電機驅(qū)動絲杠螺母機構(gòu)帶動滑塊移動，易于控制。如圖4(f)所示, ZHANG F等提出了使用凸輪機構(gòu)帶動錨定裝置的方案，該方案采用外部磁場驅(qū)動膠囊機器人中的磁鐵旋轉(zhuǎn)，進而帶動凸輪旋轉(zhuǎn)[35]。另外，該裝置中也采用凸輪機構(gòu)帶動活檢鉗伸出縮回，結(jié)構(gòu)十分小巧緊湊。蒲鵬先等人設(shè)計了一組展開機構(gòu)作為仿尺蠖膠囊機器人的錨定裝置，該機構(gòu)由電機驅(qū)動小齒輪，進而帶動與3個大齒輪固連的弧形腿[36]。該結(jié)構(gòu)伸縮比大，結(jié)構(gòu)十分簡單，與腸壁的接觸也較為柔和。

浙江大學(xué)的G Daqiang等人提出了一種采用記憶合金的膠囊機器人爬行及錨定機構(gòu)[37]。膠囊機器人的爬行裝置核心部件是一個SMA彈簧，同時膠囊內(nèi)鏡的四周增加了6個SMA錨定腿，膠囊機器人的直徑為15mm，總長度為33mm。該團隊對該種膠囊機器人前進及后退時的步態(tài)進行了分析，同時通過對膠囊機器人在腸道內(nèi)的受力進行了分析，通過力學(xué)分析對6個SMA錨定腿進行了優(yōu)化設(shè)計。

圖4 駐留機構(gòu)

3 給藥機構(gòu)

主動運動膠囊機器人的另外一個重要作用就是給病變區(qū)域施藥，這可以大大提高藥物的利用率。圖5(a)所示是S Yim等提出的具有給藥功能的膠囊機器人。機器人結(jié)構(gòu)由柔性材料制作而成，用柔性鉸鏈作為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)[38]。通過外部磁場驅(qū)動機器人內(nèi)安裝在首尾的兩個磁鐵塊相互吸引或排斥，從而讓機器人本身變形，觸發(fā)給藥機構(gòu)實現(xiàn)給藥。同樣基于磁驅(qū)動，F(xiàn). Munoz等提出的一款膠囊機器人，使用外部磁場驅(qū)動機器人內(nèi)部的磁鐵旋轉(zhuǎn)，帶動曲柄滑塊機構(gòu)，從而帶動活塞將藥物擠出實現(xiàn)給藥操作，其三維模型如圖5(b)所示[39]。GUO J等利用磁鐵的同性相斥、異性相吸原理，直接通過外部磁場驅(qū)動膠囊內(nèi)部的兩塊磁鐵吸引或排斥，從而觸發(fā)給藥機構(gòu)閉合或打開，實現(xiàn)藥物釋放[40]。仿真圖如圖5(c)所示。

圖5 給藥機構(gòu)

4 各類驅(qū)動-執(zhí)行系統(tǒng)的特性分析

根據(jù)目前膠囊機器人各主動運動機構(gòu)動力源的不同,可以將其歸納為電磁電機-機械傳動機構(gòu)、磁致動器-機械傳動機構(gòu)和智能材料致動器3種類型。

4.1 電磁電機-機械傳動機構(gòu)

采用電磁電機驅(qū)動的膠囊機器人，其機械傳動機構(gòu)多是通過齒輪系、絲杠螺母等機構(gòu)連接在一起的。電磁電機-機械傳動機構(gòu)系統(tǒng)模型的建立與普通機械系統(tǒng)建模并無過多區(qū)別。通過計算各運動件的受力，得到系統(tǒng)各構(gòu)件力、速度和加速度，進而建立機構(gòu)的等效質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、阻尼等模型，最后得到系統(tǒng)的動力學(xué)模型，為控制模型的建立提供依據(jù)。由于膠囊機器人的空間狹小，因此其內(nèi)部的機構(gòu)均比較小而復(fù)雜。傳遞鏈越長，齒輪與齒輪之間、絲杠與螺母之間的累積間隙越大，系統(tǒng)的機械誤差越大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度越低[41]。而為了提高傳遞精度，其做法只有提高零件的加工精度和改善系統(tǒng)的控制策略。提高零件加工精度會進一步增加微小零件的加工難度，同時增加成本；膠囊機器人在復(fù)雜的腸道環(huán)境內(nèi)控制策略本身就比較復(fù)雜，還要改善控制策略用于消除機械傳動的間隙會使得控制難度呈幾何級數(shù)增加。

4.2 磁致動器-機械傳動機構(gòu)

磁致動器驅(qū)動的膠囊機器人利用磁場，基本上摒棄了電磁電機-機械傳動機構(gòu)中需要通過“鏈接”將能量傳遞給執(zhí)行機構(gòu)的中間傳輸裝置，使得機器人結(jié)構(gòu)更為緊湊，體積也更小。然而，磁致動器的一些局限性仍有待解決。磁場具有較大的滯后性、非線性和不確定性，建模難度較大，同時多自由度系統(tǒng)中需要多個磁體，如何克服磁體之間的相互作用也是疑難問題。此外作為微創(chuàng)診療設(shè)備，磁致動器限制了膠囊機器人在核磁共振成像(MRI)檢查過程中的應(yīng)用[42-43]。

4.3 智能材料致動器

SMA具有技術(shù)性能高，耐腐蝕，無磁性等特點[44]，使其有望在生物醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用。目前，有兩類控制模型能捕捉到SMA滯回特性，即利用微分方程來描述遲滯的差分模型和采用算子描述滯后的算子模型[45]。然而，應(yīng)變小、驅(qū)動頻率低、相變溫度高和精確的控制難度等問題限制了SMA的使用范圍。從安全角度考慮，溫度和電流的隔離是患者使用的最低要求，同時加熱和冷卻的方法誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變也會對系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生較大影響。同時膠囊機器人無線驅(qū)動的特殊性決定了SMA不易實現(xiàn)加熱或者冷卻誘導(dǎo)相變。

5 結(jié)語

從目前的研究成果來看，各種帶主動運動機構(gòu)的膠囊機器人都處在研究階段，均存在不同程度的缺點。外部磁場驅(qū)動是目前研究的主流方向，此方案可以在機器人內(nèi)部使用小型的磁鐵作為驅(qū)動源，設(shè)計較為靈活?；旌向?qū)動可能為主動運動膠囊機器人的發(fā)展帶來突破，對各種驅(qū)動方式進行取長補短，有望研發(fā)出高性能、多功能的膠囊機器人。另外，簡單巧妙的機械結(jié)構(gòu)、微型高效的作動器、越來越集成化小型化的電子器件也會有力推動膠囊機器人的發(fā)展。

消化道檢查機器人的市場在不斷擴大，然而高效、安全、微型的主動機器人的設(shè)計制造是目前最大的挑戰(zhàn)。盡管科研人員對膠囊機器人主動運動機構(gòu)進行了大量的探索，但目前為止尚沒有一款使用主動運動機構(gòu)的膠囊機器人問世,但隨著新興技術(shù)的出現(xiàn)和制造水平的不斷提高，更加集成化、智能化的膠囊機器人一定會成為現(xiàn)實。