修回日期: 2005-06-10
接受日期: 2005-06-13
在线出版日期: 2005-09-15
主要研究微型机器人在消化道内运动的影响因素, 通过理论分析和实验研究得到几组摩擦力变化曲线.理论和实验曲线均有相似的变化趋势, 所有理论和实验所得的摩擦力大小都小于1N.实验结果显示, 微机器人试样直径对摩擦力影响曲线区分明显.但在试样长度对摩擦力影响实验中, 曲线变化未有明显的区别.微机器人试样的外壳是由几种不同材料如: 铝、树脂和有机玻璃制成.从试样材料对摩擦力影响实验中得到的曲线则有较大的起伏.根据理论和实验的对比分析, 认为微机器人的直径、材料对于其在肠道中运动时的摩擦力具有较大的影响, 胃肠道微型机器人在具有较小直径的同时应尽量选用树脂或有机玻璃类材料.
引文著录: 罗海堤, 李洁, 黄平. 微机器人在消化道内摩擦行为的研究. 世界华人消化杂志 2005; 13(17): 2115-2118
Revised: June 10, 2005
Accepted: June 13, 2005
Published online: September 15, 2005
N/A
- Citation: N/A. N/A. Shijie Huaren Xiaohua Zazhi 2005; 13(17): 2115-2118
- URL: https://www.wjgnet.com/1009-3079/full/v13/i17/2115.htm
- DOI: https://dx.doi.org/10.11569/wcjd.v13.i17.2115
医用微机器人的研究是当前的研究热点, 试验样机及商业化产品的种类和数量不断增加, 同时还出现了以进入人体微细管道进行诊疗和检查为目的的微小管道检测机构的研究热潮.美国、法国、日本、以色列等国家的管道检测机构技术处于世界领先地位.其中, 以色列的医用胃肠道内微型机器人研究成果格外引人注目, 也已在全世界范围内得到了推广应用.近几年我国的微小型检测机构技术研究也在快速发展中, 上海交通大学研制了一种全方向蠕动式机器人驱动内窥镜系统[1-3], 浙江大学研制了无损伤体内医用微型机器人[4], 中国科技大学研制了基于SMA(形状记忆合金)导向的用于人体肠道检查和腹腔手术的医用蠕动式管道微机器人[5], 重庆大学也有相关的研究成果.
医用微机器人的出现为人体消化道系统疾病的诊断和治疗带来福音, 它克服了传统导管式内窥镜的弊端, 不但在给患者诊断时更安全舒适, 而且诊断范围能扩大传统内窥镜所不能检测的小肠段等.目前已处于应用阶段的医用微机器人是被动式窥视微机器人, 而对于给药、取样等功能的被动式微机器人亦已有相应的样机出现, 对于主动式微机器人则一直处于实验室研究阶段.为了真正能够安全地在人体生物管道内运作, 任何一种微机器人都需要进行微机器人在生物管道内摩擦行为的研究.我们研究胶囊形状的微机器人其材料、尺寸及重量对微机器人在肠道内前进时所受摩擦力的影响.本文先进行理论分析, 然后以离体动物肠道进行实验, 最后进行对比分析得出结论[6-30].
作为微机器人工作环境和对象的人体消化道尤其是小肠段部分情况颇为复杂.下面主要探讨的是微机器人在小肠段内运行时的摩擦行为.小肠段消化道蜿蜒曲折地徘徊在人体腹腔内, 成人全长5-7 m, 分为十二指肠、空肠和回肠, 食物通过肠道的蠕动推向前进.微机器人在肠道内运行示意图如下图1中A部分所示.
为简化起见, 设蠕动波近似为正弦波, 并根据现有微机器人的尺寸、肠道的直径及肠道曲折度的大小关系, 认为微机器人作用处仍是近似的笔直肠段, 从而有利于问题的分析.在图中所示肠道环境中微机器人左端处小肠壁收缩, 右边的小肠壁扩张, 肠壁上有不少皱襞, 皱襞面上分布着肠道 黏液.微机器人剖面线段为肠道对微机器人的挤压部分.
微机器人运动的动力来源正是肠道蠕动收缩对微机器人的向前挤压推力.肠道以一定的规律蠕动, 微机器人则以一定规律向前运动, 前进过程中受到肠壁的摩擦阻力.探讨的是微机器人参数的变化对摩擦阻力的影响.将微机器人从系统中独立出来进行受力分析如图1中B部分所示.
微机器人在运动过程中表面大部分受到压力和切应力, 这种切应力与摩擦阻力有所不同, 它的大小还与消化道内黏液的特性及机器人的速度有关.设机器人全长l, 半径r0, 质量m.根据机器人在肠道中运行的情况, 认为机器人右边的圆形部分不受压, 中间和左端圆形部分各自受到不同的压力.设中间部分受到的压力和前进阻力分别为T1、τ1(合力分别为F1、F2), 左端部分受到的压力和前进阻力分别为T2、τ2(合力分别为F3、F4), 受压的范围夹角φ2.微机器人所受的重力为体力, 图示为其在质心o处的合力mg, 在机器人实际运动过程中重力的方向不一定垂直, 而是有一定的夹角φ1.由于一般微小机器人的质量很小, 所以忽略由重力引起的应力分布的不均.
取连体坐标系如图1(B)所示, 根据上述的假设, 可以分析得出机器人各部分的合力只有x轴的方向上不为零, 其它方向上为零, 因此只需考虑这个方向上的分力: 公式一
Math 1
这里T1、τ1和T2、τ2都是位置和时间的函数, 它们的大小、变化的周期取决于蠕动波, 同时φ1、φ2也应是时间的函数.考虑到在一定实验条件下, 不妨设T1、T2和τ1、τ2只是时间函数, 则有: 公式二
Math 2
为了客观地分析机构外壳的材料及尺寸对于其在肠道内运动阻力的影响, 我们使用五个重量相同的试样进行一组实验, 并将实验数据分为三组来进行讨论.该六个试样的物理参数表1所示.所有试样均采用机械加工方法制造而成, 其表面粗糙度控制在2.3以下.重量相同通过在空心试样内部填充数量不等的重物来实现.
| 编号 | 试样1 | 试样2 | 试样3 | 试样4 | 试样5 |
| 材料 | 铝 | 树脂 | 树脂 | 树脂 /有机玻璃 | 树脂/有机玻璃 |
| 密度(g/cm3) | 2.74 | 1.43 | 1.43 | 1.43/1.19 | 1.43/1.19 |
| 直径(mm) | 11.1 | 13.6 | 13.6 | 17.5 | 21.8 |
| 长度(mm) | 28.0 | 26.1 | 28.0 | 28.5 | 28.5 |
实验原理如图2所示.直流稳压电源驱动带减速箱的电机旋转以拉动细线, 细线的另一端绕过滑轮固定在试样一端的中心点, 并将试样放置在一段离体动物(猪)小肠中, 这样细线就会拉动试样沿肠道运动.试样与肠道之间的摩擦力大小与细线的拉力成线性关系, 而细线拉力的改变即代表电机负载的变化, 电机则由直流稳压电源供电, 所以摩擦力的变化也必然使电机的输入电流产生变化.在电机正极串联一个固定阻值的电阻, 用自动数据采集系统测量该电阻两端电压的变化即可分析电机负载的变化规律.
实验中采用的自动数据采集系统主要由数据采集卡和计算机组成.其采用计算机作为数据采集系统的控制系统, 通过计算机外部总线与数据采集卡进行通讯, 将数据采集卡采集到的信号输入到计算机里.为了更加直观地研究被测信号的变化规律, 数据采集系统采用曲线图的形式实时动态的显示测量到的数据.同时, 计算机还将这些数据以文档形式保存下来, 以便于实验后进行数据的处理和分析.实验选用离体的猪小肠一段50 cm, 测量发现直径和厚度不均匀分布, 大体上一端较小然后过渡到另一较大端, 其中最小直径是11 mm, 最大直径是22 mm, 平均直径15 mm, 直径趋势是先稍有增大而后减小到最小值再慢慢增大(有点类似于正弦曲线), 平均厚度1.5 mm.自动数据采集系统的采样时间为60 s, 采样频率为40 Hz, 即数据采集卡将每隔25 ms的时间读取一次电平信号, 每个试样在一次实验中可获取2400个数据.
实验首先将各试样充填入一定量的重物, 用精度为0.01 g的天平称重, 使其重量相等.同时将一段约50 cm长的肠道用清水冲洗干净, 两端固定在支架并尽量拉直.滑轮、电机、电阻、直流稳压电源和数据采集系统均连接好备用.为尽量避免试样引起的肠道变形影响实验结果, 各试样将按直径由小到大的顺序一一进行实验.实验时, 试样与电机主轴用一定长度的细线连接, 并由肠道直径较大端(近滑轮端)塞入, 一直推到另一端.打开电源, 电机开始转动, 同时按下键盘S键, 计算机开始采样和保存数据; 试样在细线拉动下开始往前滑动; 60 s后, 采样会自动停止, 这时关闭电源, 电机停转, 将试样从肠道中取出, 实验告一段落.依次替换试样进行实验, 最后得到5组实验数据.
在给定如上实验所述条件下, 肠道半径的变化很难以一个准确的函数表述, 为能与实验有个比较, 取肠道半径的变化为正弦曲线, 同时认为各试样运动速度近似相等, 则肠道半径变化函数可写成如下形式:
h(t) = 15 + 3sin0.125t 0 ≤ t ≤ 60 (9)
分析机器人在实验状态下的受力, 可以看到电动机的牵引力代替了蠕动推进力, 机器人前进所受摩擦力正是F2x, 为此需要讨论此时的切应力.根据实验的情况, 认为在实验时间内, 各试样周长大于小肠萎缩周长, 即πd大于2D, 即当塞入试样周长大于小肠周长时, 肠道还将扩张产生张力, 对机器人有应力T1.这里为简单起见, 认为在实验低速条件下, 切应变为:
公式三
Math 3
其中s为肠道的厚度, D既是h.
k取0.2, k1的取值与材料有关, 这里试样1时取0.9, 其他试样取0.4, k2取3, s取平均值.由上式计算得实验状态下模型所受摩擦力随时间变化的趋势.
由前面的表1可知, 试样4与试样5材料相同, 长度也相同, 只有直径不同; 试样2与试样3材料相同, 直径相同, 仅在长度上略有不同, 因此可先进行分析试样直径和试样长度对摩擦力的影响.由于数据量较大, 变化剧烈, 所绘制的是实验结果的多点移动平均线.图3(A)是试样4与试样5实验结果的200点移动平均线, 图4(A)是试样2与试样3实验结果的200点移动平均线.图5(A)是试样1与试样3实验结果的200点移动平均线.对应相应的实验条件, 我们按照公式9-11进行了计算, 图3至5的(B)部分是理论计算曲线.下面对这些结果进行分析和讨论.
在图3(A)中, 两曲线基本相似, 试样5进行实验时电机电流明显大于试样4的电流, 尤其是在25 s(1000×25 ms)之后, 试样5的电流突然增大.究其原因, 试样5的直径比试样4大, 则其表面积较大, 摩擦力也较大, 所以电机的输入电流也较大.而肠道各点的直径不是等大, 在约25 s时试样进入直径较小的肠道段, 而试样5的直径较大, 它经过的时候引起了该段肠道的变形, 肠道的内表面紧贴在试样5的表面, 使得摩擦力突然增大.试样4及其他直径更小的试样就不会产生这种电流突然明显增大的现象.将理论曲线和实验曲线相比较, 可以发现有如下一些特点: 从图3(A)与(B)对比分析可看到, 试样4和试样5的曲线无论是实验还是理论上的都基本相似; 在(A)与(B)中, 都是直径较大的试样5的值大于直径较较小的试样4; 在0-60 s内, 无论是实验还是理论图都有个峰值.
从图4(A)中可以看出, 较长的试样3与较短的试样2的曲线在图中均有程度相似的起伏.考虑到计时开始和结束时刻两试样在肠中的位置有差异, 若将试样3的曲线向右平移适当的距离, 则两曲线的中段还有基本吻合之处.这说明两试样长度相差毕竟较小, 从而使长度对试样与肠道之间摩擦力的影响在实验中表现不明显.分析试样长度对摩擦力的影响.图4(A)与(B)是只有长度不一样的试样2和试样3的实验与理论曲线图.首先, 无论是实验还是理论图, 试样2与试样3的摩擦曲线走势具有相似之处; 其次, 试样2的摩擦力虽然比试样3大些, 但不明显, 在图中试样2和试样3的摩擦曲线近似重合; 另外, 曲线在0-60 s内也有个最大值.
我们采用了多个不同材料制成的微机器人模型, 因此还可探讨试样材料对摩擦力的影响.在图5(A)中可看到有大部分时间段试样1的摩擦力大于试样3.而由表1可知, 试样3的直径大于试样1的直径, 由前面所分析的直径对摩擦力大小的影响可知, 试样3的摩擦力应是大于试样1.由此可见其原因应是二者的材料不同.试样1是用铝材加工而成的, 试样3则是树脂材料制成的, 树脂具有自润滑性能, 摩擦系数小, 所以试样3所受的摩擦力小于试样1, 这个差值甚至抵消了直径增大所造成的摩擦力的变化.由图5分析试样材料对摩擦力的影响.试样1和试样3不但材料不同, 而且直径也有所不同, 实验和理论曲线分别如图5(A)和(B)所示.在这两图中可以看到, 试样1和试样3的曲线不同前面的情况, 两者不相似; 在0-60 s内, 在曲线最大值附近都是试样1大于试样3, 而且试样1曲线爬升更为陡峭.
从上述分析可知, 所有试样在运行时间内都通过了肠道的最小直径处, 表现在曲线上即是摩擦力都有一个最大值.实验曲线中最大值出现的时间不同是因为各试样的速度有所不同, 而理论曲线则是在假设它们速度相同情况下得到的, 从而出现峰值的时间相同.
总之, 微机器人的直径对于其在肠道中运动的摩擦力或者说是运动速度具有较大的影响, 这主要是直径的变化不但引起接触面积的变化, 还引起接触应力的变化.机器人的长度对摩擦力的影响不是很大, 实验效果不明显.试样材料对微机器人所受摩擦力的有较大的影响.对于胃肠道微型机器人来说, 选取何种材料制造是极为重要的, 良好的材料使机器人更好地在肠道中运行, 更容易通过肠道, 在不影响其加工性能和满足使用条件的情况下, 应尽量选用具有自润滑性能、摩擦系数小、生物适应性好的树脂或有机玻璃类材料.在胃肠道微型机器人的设计制造过程中, 制造材料和机器人直径的选取主要从摩擦角度考虑; 机器人长度的选取则不是从这一角度出发, 应是从另一角度即肠道的蜿蜒曲折所决定.
编辑: 潘伯荣 审读: 张海宁
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