用于原位3D生物打印和内窥镜手术的先进软机器人系统

供稿人：张智航、连芩
供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室　
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

生物3D打印技术和内窥镜机器人都是目前医疗领域非常火热研究方向。其中，生物3D打印技术已经对医疗和制药产生了革命性影响，未来有望用于制造或修复人体缺损组织与器官，即通过人体组织与器官3D打印技术有望为目前许多的不治之症带来希望。内窥镜手术机器人是未来内科治疗外科化的一种重要工具。利用内窥镜手术机器人，越来越多的消化道疾病通过经口或者经肛门进行治疗，不需要通过开腹或者开胸这样大创伤外科手术治疗。内窥镜软体机器人有望改变这种局面，让消化内科医像外科医生一样切除消化道病变组织，不用担心出血、穿孔。

新南威尔士大学的研究团队就开发出一款具有生物3D打印功能的内窥镜机器人---F3DB[1]，将生物3D打印技术和内窥镜机器人两大热门技术联合在一起时候，形成了更具有想象力的内窥镜治疗方法，如图1所示。该技术具有高自由度打印头和柔软的机械臂，安装在长而灵活的蛇形身体上。该装置可以通过小的皮肤切口或人类自然孔（例如，口腔，肛门）进入生物体内狭窄和难以到达的区域。新的F3DB有望克服现有3D生物打印技术的几个主要障碍，通过i）消除在手术植入前对活材料进行体外孵育以成熟的需求，ii）避免打印生物材料和目标表面之间的界面不匹配，以及iii）提供较小的打印设备占地面积。

图1 灵活的3D生物打印机（F3DB）系统。a） F3DB机器人的工作示意图，可以在多个位置对内部器官和组织（如肠、胃或心脏）的表面进行原位生物打印。整个系统由柔软的人造肌肉通过外部液压源（电机外壳）驱动，用户通过主控制台操纵打印头。b） F3DB机器人原型，具有灵活的机构、3D打印头和机械臂。c）对新鲜猪肾的离体原位3D打印。d） 使用打印喷嘴作为电外科刀对新鲜猪结肠进行组织解剖。

具有三个弯曲和伸展运动自由度的软体机械臂是使用软体液压执行器中的高级功能开发的，而具有三个运动自由度的3D打印头安装在软体机械臂上，形成一个完整的生物3D打印机。该设备使用柔软的人造肌肉完全驱动，并由运动学反转模型、新的非线性滞后模型和基于机器学习的控制器控制。F3DB 的工作空间、频率响应、耐久性和力生成都经过实验验证。F3DB进行内窥镜手术的能力在新鲜猪组织中得到进一步证明。新系统有望填补原位生物打印领域的空白，并支持先进内窥镜手术机器人的未来发展。

参考文献：
THAI M T, PHAN P T, TRAN H A, et al. Advanced Soft Robotic System for In Situ 3D Bioprinting and Endoscopic Surgery [J]. Advanced Science, 2023, 10(12).