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一、牽引方式

歷來研究的主要難點是腸道內牽引裝置和頭部轉舵機構的設計與制造。由于腸道內特殊的運動環境，導致了輪式、足式等驅動方式的失效，所以研究了尺蠖蠕動、蚯蚓蠕動和螺旋驅動等不同的牽引方式，以期獲得與人體腔道這種特殊的非結構環境生理兼容，并在其中能夠進行安全有效運動的牽引方式。在這些牽引方式中，研究人員研究了不同種類的驅動器，主要尋找一種安全、可靠、控制方便、體積微小的驅動器。牽引方式的研究主要集中在螺旋式牽引、蚯蚓仿生牽引和尺蠖仿生牽引等方式上。旋轉外場的螺旋推進方式不僅存在著推進力小的問題，而且由于機器人在腸道內的姿態時刻變化，如何保證嵌入機器人身體上的永磁體極化方向和外場方向垂直也需要進一步的研究。

另外，螺旋式牽引在嚴格的潤滑膜形成機制下能夠獲得理想的牽引能力。但是，在人體這種非結構環境中，存在消化道內壁表面起伏劇烈、腸道柔軟易于變形、浮動性大等特點，螺旋牽引能否有效可靠，可能還需要作進一步的深入研究。在松軟的非結構環境中，尺蠖蟲和蚯蚓卻能夠行動自如，并且對環境造成較少的破壞，這與醫用的環境和目的是基本一致的。尺蠖仿生結構最早應用于工業管道機器人上，并獲得了成功應用。由于工業管道和人體腔道的部分相似性，將其引入人體消化道檢測似乎順理成章，然而，將工業管道中的尺蠖機器人直接應用于臨床消化道檢測是絕不能成功的。尺蠖仿生結構的特點是總有一節運動單元以某種方式支撐在運動表面上，其他節在身體縱向上可能伸長或者縮短。尺蠖運動是以能夠泊位在運動表面為基礎的，沒有這種能力就不能前進。因此，尺蠖仿生運動的泊位能力非常關鍵。在工業管道中，管道基本上都是剛性的，機器人僅可以以某種方式壓緊管道以獲得足夠的摩擦力來提高泊位能力。但是，在人體腔道中，腸道組織卻是一種柔軟的、易于發生大變形的、表面摩擦系數極小的粘彈性生物組織。機器人變形小，則產生的摩擦力小，運動時會打滑；機器人變形大，可能會超過消化道組織的生理耐受極限，極可能引發醫療事故。

二、支撐方式

基于此，以往的研究者主要探討了三種支撐方式。第一種為氣囊式，氣囊具有一定的柔性，但是存在變形量大會引起腸道組織的破損；第二種為機械式，機構外形幾乎不發生變化，控制類似鉗子的運動結構交替支撐在腸壁上來實現尺蠖牽引，但會對腸道內壁產生一定的損傷；第三種為吸附式，使用抽真空方法將腸壁吸附在驅動器表面。由于腸壁存在絨毛，因此吸附力量比較小。與尺蠖牽引方式的研究相比，蚯蚓仿生牽引方式研究的報道較少。歷來的研究多集中于機器人在橡膠表面、木材表面、玻璃表面上的實驗研究，對于其內在的運動與力的關系很少作過深入的研究。顯然，協調而有效的運動控制缺少這種量化的模型而變得不夠嚴謹。

另外，該牽引方式在水平表面運動時，運動有效性對摩擦力不是非常敏感。但是，在爬坡狀態時，卻極大地依賴于機器人與運動表面的摩擦系數，而不是摩擦力。在人體環境中，坡度是難以避免的，因此在蚯蚓仿生牽引方式中必須提高機器人的爬坡能力。驅動器的研究主要集中在形狀記憶合金驅動、氣動、微電動機驅動等方式上。在人體腔道的狹小空間中，這些驅動方式有著共同的特點，即可以進行微型化，但是程度不一，在驅動能力、適用性、實用性等方面也各有特點。形狀記憶合金驅動的具有功重比高、驅動力較大、體積微小等特點，適宜于微小空間，是歷來研究者經常使用的驅動方式。氣動方式具有一定的柔性，對人體腔道的生理兼容性良好。

供氣控制裝置一般都在體外，通過一根供氣管道與進入人體的驅動器連接，不僅可以減小樣機體積，而且具有較大的驅動力輸出。壓電驅動具有體積小、剛度大、位移分辨率及定位精度高、頻率響應高、無噪聲、易于控制等優點，不足是驅動位移太小和驅動電壓大。微電動機（直徑≤10mm）驅動方式結構簡單、控制方便、效率較高，前提必須將旋轉運動轉變為直線運動。人體消化道特殊的運動環境對驅動器的體積提出了嚴格的限制，直徑小、長度小是設計的目標所在。如何在有限的狹小空間內，設計出有效的減速增力機構和運動轉換機構，面臨著許多優化問題。

三、結語

綜上可見，微型機器人距離臨床推廣還有不少的問題亟待解決，但這些問題是可以預見解決的，在不久的將來，我們或許可以看到這些小小的忙碌在臨床上的蠕蟲樣裝置。它的出現會開創無創介入胃腸道的新紀元，屆時，胃腸道的低侵襲檢查將易于實現。這項技術將有助于胃腸道惡性腫瘤的早期發現、早期治療，改變胃腸道惡性腫瘤致死率居高不下的格局。

作者：王坤東 單位：上海交通大學儀器科學與工程系