在过去的几十年里，基于导管的手术改变了医学，为医生提供了一种微创的方式来做任何事情，从放置支架和靶向肿瘤到提取组织样本和为医学成像提供造影剂。虽然今天的导管是高度工程化的机器人设备，但在大多数情况下，将它们通过身体推到干预部位的任务仍然是一个手动且耗时的过程。
将功能性纤维开发的进步与
智能机器人的发展相结合，洛桑联邦理工学院光子材料和光纤设备实验室的研究人员创造了多功能导管形状的软机器人，当用作导管时，可以远程引导到目的地，甚至可以通过半自主控制找到自己的方式。“这是我们第一次能够以如此大的可扩展性生成软导管样结构，可以集成复杂的功能，并可能在体内进行引导，”该研究的首席研究员Fabien Sorin说。他们的工作发表在《先进科学》杂志上。
工艺
研究人员用通常用于生产光缆的热拉伸工艺创造了光纤，类似于从火锅中拉出一长串奶酪并让它变硬。材料的选择至关重要，弹性体-弹性聚合物在拉伸时恢复其原始形状-是首选：除了柔韧性外，它们还足够柔软，可以最大限度地减少脆弱身体组织的病变。但是，该研究的第一作者Andreas Leber说：“从历史上看，热绘图仅限于硬质材料。幸运的是，我们的团队已经确定了一类热塑性弹性体，可以拉制并在拉制后保持其弹性体性能。
集成运动控制、传感和药物输送
为了生成在整个长度上具有多个通道的长纤维，研究人员必须微调拉丝工艺参数。Fabien Sorin说：“该工艺的一个重要特征是材料的粘度与表面张力之间的相互作用，前者可以拉出连续的纤维，后者可能导致其中的通道塌陷。
通过获得材料特性、拉伸速度和恰到好处的温度，该团队可以可靠地生产连续通道，这些通道以微米级在光纤内精心布置，使光纤具有机器人功能。例如，通过使用电机拉动引入通道的一个或多个肌腱-这是智能导管中的一种行之有效的方法-医生可以控制纤维末端的方向以引导其通过身体。
除了通道，光纤还可以使用热拉工艺配备各种元件。“除了肌腱之外，纤维还可以集成光学导板、电极和微通道，使药物输送、成像、电记录和刺激以及机器人和医疗
应用中常用的其他工具成为可能，”Leber解释道。
这些功能元件也为自主纤维形机器人打开了大门。“集成的光学导板赋予光纤视觉感。他们可以检测并避开轨迹中的障碍物，甚至可以自己找到目标物体，例如空腔，“Leber继续说道。这项工作的关键是由实验室团队从头开始开发的复杂控制算法和软件用户界面。
电气和流体功能，以及使用软机器人光纤进行高级导航。a）集成三根金属线的光纤横截面的光学显微照片。b）电探测实验期间的照片和测量电流的顺序。c）光纤横截面的光学显微照片，在其中心集成三个微通道。d）流体实验的照片序列。e）集成四个PTFE衬里（底部）和移除衬里的相同光纤的光纤横截面的光学显微照片。f）65厘米长的机器人纤维的照片，带有可操纵的软尖端和包含PTFE衬里的刚性主体。g）主动脉弓模型和机器人纤维导航血管、放置导丝和输送液体的照片序列。h）光纤横截面（顶部）和照片（底部）的光学显微照片，集成了3个肌腱专用腔、一个PTFE衬里、一个光学导轨、两根电线和一个流体通道。
高度可扩展的制造
虽然听起来很复杂，但这些多材料纤维的生产非常简单。“我们使用光纤制造技术，这种技术非常可扩展。您可以在一夜之间产生数百公里的光纤。因此，我们的制造方法带来了一种新颖的、可扩展的方法，可以制造具有前所未有的先进功能组合的软导管状结构，“Sorin说。
软机器人纤维的制造、结构和驱动。a）热拉伸制造技术和肌腱驱动驱动原理图。
遥控导管只是这种新型基于光纤的软机器人可以实现的众多令人兴奋的潜在应用之一。“基于肌腱的运动控制方法是开发热拉智能导管的第一步。下一步将涉及转向电或磁驱动模式，并测试这种纤维的令人兴奋的机会，更接近临床应用，“帝国理工学院Hamlyn机器人外科中心的合著者和小组负责人Burak Temelkuran说。
应用潜力：智能床垫、软假肢和
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软机器人纤维在人体外也有丰富的应用。床垫可以配备它们来监测睡眠质量或根据感应到的压力和生理参数改变其材料特性，为用户提供更好的夜间睡眠。这些纤维可用于制造柔软的假肢，能够通过变得更硬来响应关节上多余的机械应力。工业或环境传感应用可能包括自导软机器人，这些机器人基于集成热传感器、触觉传感器甚至视觉电气和光学系统感知的信息进行导航。
