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埃因霍芬理工大学最新研究 使用软体机器人为人造心脏带来治疗新方案

国际金属加工网 2023年10月31日

人工心脏被称为“医疗器械皇冠上的宝石”,它为严重心衰患者提供了一种可行性的解决方案,但目前现有人工心脏存在很大局限性,来自埃因霍芬理工大学的Luuk van Laake博士最近发表了一项新的研究成果,他的研究方向是通过软体机器人技术实现未来人造心脏的无害化植入。

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Luuk van Laake博士采用创新的软阀门设计,能够通过人造肌肉实现一定频率的收缩与放松。通过人体泵送血液,因而无需使用其他电子设备

软体机器人技术是一个相对新的但充满活力和多学科的研究领域,许多软机器人研究都是基于仿生学,或者是受大自然启发而创建创新解决方案。目前软体机器人主要聚焦在柔软且灵活的材料与结构方面。

放眼大自然当中,柔软度和灵活性在自然界当中无处不在,Luuk van Laake博士解释道,“水下的鱼类,通过摇动尾巴实现水下的移动,章鱼可以自由穿梭在狭小的海底空间,大象鼻子可以轻松地抓取物体。”这些都为软体机器人提供了思考方向。

▍软体机器人如何提升智能化与自主能力?

在软体机器人的研究当中,很多研究者专注软质抓手,这些抓手可以自动适应所抓握物体的形状,就像人的手或大象的鼻子一样。这种抓手的优势在于无需每次设计新夹具,这得益于它采用柔软的材质设计。

“如果这种材质应用于人造心脏,或许可以根据患者的血压自动调整心率,无需在心脏中使用电子设备,也无需外部控制信号。如果你把控制、机械和环境这几个要素考虑进去的话,你也许可以做出具备自主工作能力的软体机器人。”Luuk van Laake博士解释道。

Luuk van Laake博士的论文是欧盟资助的“混合心脏”项目的一部分,该项目的合作伙伴联盟正在致力于开发一种基于软机器人技术的人造心脏,也称为“全人造心脏”(TAH)。

该联盟的研究主要基于以下几个方向,即原位组织工程(将一种物质带入体内,在体内分解并用人体自身的细胞取代)、基于机械结构与控制的软体机器人技术以及近场感应技术(类似于手机当中的NFC近场感应),从而尽可能少地破坏患者皮肤组织。

Luuk van Laake博士表示,如果你考虑到以上几个方面,并得到相对完美的解决方案,你就可以创造出理想的人工心脏。

“目前有两种 TAH 已经为严重心力衰竭患者提供了解决方案,但两者都有很大的局限性,”Luuk van Laake博士解释道,“它们是由刚性材料制成的,因此血液的流动方式与人体心脏的流动方式不同,人体心脏中的一切都在不断运动,这可能会导致血栓。从而需要进行药物治疗,而药物反过来又会产生副作用,所以这并不理想。”

▍软体机器人或能实现更大的应用价值

软体机器人或许能够给患者更好地治疗方案,采用软体机器人能够使得血液循环更加自然。与原位组织工程相结合,无需药物治疗。此外,柔软的心脏更容易融入任何身体,因为它更轻、更小且可变形。

另一个好处是,你还可以对柔软的心脏进行胸外按压,而对于目前的人造心脏来说,如果需要心肺复苏这种按压急救场景,实际上医生也无能力为。

Luuk van Laake博士表示,“我们的挑战在于需要设计一种可以持续多年的人造心脏,并减少组件数量,尽可能用柔软的机械部件替换电控阀门和其他电子设备。”

为此,Luuk van Laake开发了一种具有延时效果的迟滞阀门,这种阀门的原理可以简单的这样理解,当往系统中不断地吹入空气流,阀门前面就会产生压力,当压力足够大时,压缩的空气会突然通过阀门流入柔软的人造心脏肌肉当中,从而引发心脏的收缩。而这一动作会周而复始地进行,心脏的收缩与放松会呈现周期性交替,这是基于纯粹的力学结构设计,因此并没有外部电子控制。

此外,Luuk van Laake博士还将迟滞阀门应用到多个人造肌肉的机器人中,这些人造肌肉按照一定的顺序收缩才能正常工作,除此之外,他还创造了一只可以敲击手指的机器人手和一个四条腿交替行走的行走迷你步行机器人。

由于腿部采用柔软材料研发的,这种步行机器人可以更好地感知周围环境,例如,如果它碰到墙壁,就可以转身。因此,这个非常简单的系统具有广泛的应用。

虽然采用软体机器人能够实现人造心脏的规律性收缩与扩张,但在植入第一批患者之前依旧有几个问题需要解决。例如需要设计一台可以安全植入的泵。

Luuk van Laake博士表示,“目前该项目已经获得了后续研发的经费,并且已经与合作伙伴进一步开发软体人工心脏”。争取早日实现商业化,为心衰患者带来更好的治疗。


(作者:李鑫 机器人大讲堂)

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