微机器人在消化道内摩擦行为的研究

http://www.100md.com 罗海堤, 李 洁, 黄 平

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     罗海堤，李洁，黄平，华南理工大学 机械工程学院 广州五山 510640

    通讯作者：黄平，510640，广东省广州市，华南理工大学机械工程学院机械设计及理论研究所. mephuang@scut.edu.cn

    电话：020-87114588

    收稿日期：2005-05-28 接受日期：2005-06-13

    摘要

    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.

    关键词：微机器人；消化道；摩擦

    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

    0 引言

    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^[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.

    1 微机器人动力学

    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.

    图1 微机器人受力示意图.

    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、t₁(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、t₂(合力分别为F₃、F₄) ......

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