科大工學院發明「三項全能」醫療機械人　以微小身軀走進人體治病

小型連續體機械人能在介入式診斷和治療中擔任好幫手。然而，若要實現精確的導航功能，同時給它配置鏡頭，製成品的尺寸便往往變得較大，難以放進人體內的狹窄管道。香港科技大學（科大）工學院最近成功突破技術限制，研發出一款小至亞毫米級的「三項全能」機械人，有望於支氣管末梢、輸卵管等部位操作，令醫療機械人的應用範圍更為廣泛。

是項研究由電子及計算機工程學系副教授申亞京領導，其團隊的最新發明名為「磁驅光纖連續體機械人」，它外型極為纖細，直徑不足一毫米，而同時集三大功能於一身：能於人體裏採集成像、精確地移動，並執行多種醫療程序。

這款創新的機械人採用了微尺度三維打印以及磁噴塗技術製造，它的厚度僅為0.95毫米，但卻具備優異的影像性能。另一項重要突破是，它能將障礙物檢測距離延伸至約9.4毫米，與理論極限相比，這是十倍提升。此外，它還展現出卓越的運動精度（小於30微米），並能大幅擴展影像區域，達到固有視野的約25倍。

申教授介紹道：「小型連續體機械人為醫療科技開闢了一個全新領域，它具有多項優點，能進入狹窄腔道，並有助於病人迅速康復，感染風險亦較低。」

他舉例說：「目前，這些機械人已在多種疾病的診療中應用，例如在心臟病檢查過程中置入電生理導管，或在手術過程中置入支架；又例如在胃潰瘍和十二指腸潰瘍的病例中，利用單孔腹腔鏡修補破洞等。」

有見於光纖體積小且傳輸力強，研究團隊充分利用它的優點，設計了一款磁驅動亞毫米軟連續體機械人。此機械人主要由四部分組成：用於成像的光纖陣列、用於執行治療的定制工具、用於放置光纖或工具的亞毫米中空骨架，以及用於控制的功能化皮膚。

其中，亞毫米空心骨架是運用微尺度三維打印技術製作而成。至於功能化皮膚，則是為了精確控制機械人探頭的轉向而設。在實驗中，團隊首先使用磁噴塗技術，將一層磁性彈性體覆蓋在表面，使探頭在磁場下具有主動轉向能力，而幾乎毫不增加其尺寸；然後，再在機械人的外層表面塗上一層水凝膠皮膚，以產生親水性，從而減少手術過程中的摩擦。

結果，研究人員成功製造出直徑僅為0.95毫米的功能化亞毫米內窺機械人，並同時實現主動導航和原位治療，克服了傳統技術上的「不可能三角」。

為了驗證這款機械人在臨床場景的應用潛力，團隊使用支氣管模型進行了體外實驗，亦採用豬肺模型進行了離體測試。結果顯示，它在受限環境中保持優秀的介入導航能力，並在病理區域提供了高精度掃描成像，同時展現多種原位治療功能。

申教授進一步指出，這款創新的機械人集多功能於一身，包括取樣、藥物傳遞和激光消融術，應用範圍廣泛。他說：「這項研究旨在利用機械人科技，為人體內狹窄腔道的疾病提供嶄新診療方案。隨著技術不斷進步，我們相信在未來，纖維內窺機械人對人類健康將作出更大貢獻。」

團隊計劃繼續改進機械人的性能。論文的第一作者張鐵山博士表示：「為了促進實際應用，我們將會完善纖維內窺機械人的設計與控制。下一階段的研究重點，是確保它在手術中的安全性和可靠性。我們期待將來進行體內試驗，以驗證它在臨床場景的表現。」

這項研究的成果最近在《自然通訊》發表，題為〈具有集成操縱、成像和生物醫學操作功能的亞毫米纖維內窺機械人〉。論文的兩位共同第一作者為張鐵山博士與李根博士，當中張是科大博士後研究員，而李則是申教授在香港城市大學指導的博士畢業生。其他作者包括科大電子及計算機工程學系的研究助理教授楊雄博士，以及博士生趙浩翔。