使用非對稱表面的軟機(jī)器人致動(dòng)器的制作方法

本文總體涉及軟致動(dòng)器，具體說，涉及軟機(jī)械手。

相關(guān)申請

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背景技術(shù)：

“機(jī)器人”是可在固定位置或運(yùn)動(dòng)中起作用的自動(dòng)控制的、可編程的多用途操縱裝置。機(jī)器人技術(shù)在從裝配到外科的許多領(lǐng)域中是一個(gè)極其重要(越來越重要)的領(lǐng)域。大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)是“硬”的，即由具有基于常規(guī)軸承的接頭的金屬結(jié)構(gòu)組成。這些結(jié)構(gòu)常仿效動(dòng)物肢體來制造(但在自然界中未發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)如輪子和胎面在移動(dòng)式機(jī)器人中也是常見的)。

在努力創(chuàng)建能在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人，研究人員繼續(xù)模仿生物及其材料、形態(tài)和運(yùn)動(dòng)。過去幾年，軟機(jī)械手已因其廣泛應(yīng)用而引起了研究人員的極大興趣，這已經(jīng)對“硬”機(jī)器人構(gòu)成一定挑戰(zhàn)性。例如軟機(jī)器人可搬運(yùn)易損物如雞蛋，因?yàn)檐洐C(jī)器人表面可符合被搬運(yùn)物的形狀。軟機(jī)器人也可安裝到硬機(jī)器人不適用的地方。例如軟機(jī)器人可通過使其本身放氣而裝配在門框下。此外，軟機(jī)器人可以在對硬機(jī)器人具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中移動(dòng)。例如軟機(jī)器人可以在非剛性表面例如泥、粘土、凝膠上或在流體例如水中移動(dòng)。

創(chuàng)建軟機(jī)械手的一種方式是通過將剛性機(jī)器人骨架與軟皮或隔腔結(jié)合。然而，這些結(jié)構(gòu)只能以有限方式移動(dòng)。此外，剛性骨架可能并不適合許多應(yīng)用，例如操縱易損物或者局部之間明顯不同的物體。

氣動(dòng)人工肌肉如mckibben型致動(dòng)器是通過壓縮空氣被操作的收縮或伸展裝置。mckibben型致動(dòng)器具有簡單結(jié)構(gòu)，包括包裹在編織網(wǎng)罩中的內(nèi)囊。編織網(wǎng)罩包括圍繞囊偏移定向的柔性但不可延伸的線。當(dāng)內(nèi)囊被加壓時(shí)，壓縮空氣推壓內(nèi)囊表面和外罩，導(dǎo)致囊膨脹。像中國手指游戲一樣，編織網(wǎng)罩在剪刀狀動(dòng)作中因?yàn)榫€不可伸展而縮短。因?yàn)榫幹凭W(wǎng)罩縮短，致動(dòng)器也跟著縮短，由此沿收縮方向施力。這些致動(dòng)器可以是快速的并且可具有類似于肌肉的長度-負(fù)載相關(guān)性，但僅具有一個(gè)致動(dòng)模式-伸縮。

軟機(jī)器人或柔性致動(dòng)器可通過在其制造所用材料及其致動(dòng)方法來最簡單識(shí)別。軟機(jī)器人致動(dòng)領(lǐng)域始于kuhn等人在1950年的關(guān)注聚合物材料可逆變化即卷繞和開卷的工作。聚合物材料可逆變化取決于周圍介質(zhì)的酸度。kuhn等人利用這個(gè)屬性成功移動(dòng)了重量。這表明了在機(jī)器人致動(dòng)中使用柔性材料的可能性。hamlen等人在1965年拓展了這個(gè)想法并表明了聚合物材料可以電解收縮。

kuhn等人和hamlen等人設(shè)定了使用聚合物凝膠用于軟機(jī)器人的場景。特別是otake等人成功地在制造海星狀機(jī)器人致動(dòng)器中使用了電活性聚合物。此外，在1996年，suzumori等人成功制造出氣動(dòng)式軟致動(dòng)器。這些致動(dòng)器被構(gòu)造成對由伸縮式聚合物制成的密封室加壓作出響應(yīng)。目前已按毫米級(jí)使用這種致動(dòng)來制造抓手、觸手和包括氣動(dòng)氣囊致動(dòng)器的其它相關(guān)裝置。

隨著該領(lǐng)域的發(fā)展，人們始終在要求開發(fā)出具有適應(yīng)于擴(kuò)大的軟機(jī)器人應(yīng)用名單的致動(dòng)動(dòng)力的柔順致動(dòng)器。在設(shè)計(jì)框架領(lǐng)域也需要開發(fā)出可基于相對少量致動(dòng)器參數(shù)的定量建模和操控的新型致動(dòng)器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過提供致動(dòng)器來滿足上述需求，所述致動(dòng)器被構(gòu)造成通過加入設(shè)計(jì)元件來執(zhí)行新的基本運(yùn)動(dòng)，所述設(shè)計(jì)元件可以通過操控相對短的參數(shù)名單被配置成經(jīng)歷可用定量建模技術(shù)來設(shè)計(jì)的具體壓力致動(dòng)變化。

一方面，本發(fā)明涉及一種軟機(jī)器人致動(dòng)器，其包括柔性或彈性的細(xì)長主體，該柔性或彈性的細(xì)長主體限定出相對于致動(dòng)器周圍環(huán)境可被加壓或減壓的密封空隙。細(xì)長主體包括具有基本均勻的形狀或輪廓的第一壁部并與第一壁部相對地具有重復(fù)可變壁部的第二壁部。細(xì)長主體的內(nèi)部高度在其長度上變化。對柔性或彈性的細(xì)長主體加壓或減壓使該柔性或彈性的細(xì)長主體的至少一部分彎曲，從而導(dǎo)致致動(dòng)器彎曲。第二壁部的輪廓的特征在于最大壁高度、最小壁高度和間距(作為相鄰重復(fù)段之間的峰-峰距離來測定，其中每個(gè)重復(fù)段能響應(yīng)于內(nèi)部加壓接受致動(dòng)，或者是“單位單元”)。這些參數(shù)中的每一個(gè)以及細(xì)長主體的壁厚可以改變以“調(diào)節(jié)”致動(dòng)器壓敏性，即，使致動(dòng)器響應(yīng)于內(nèi)壓變化以預(yù)定速率彎曲該柔性或彈性的細(xì)長主體。在一些情況下，柔性或彈性的細(xì)長主體限定出在細(xì)長主體的近端和遠(yuǎn)端之間延伸的內(nèi)腔，該內(nèi)腔永久地或可逆地(如通過閥)在遠(yuǎn)端處向裝置外部開放。管腔可以各種方式被連接到壓力源(包括負(fù)壓)、流體源或包括細(xì)長部分的醫(yī)療裝置，該細(xì)長部分能被插入并穿過或延伸通過管腔而到達(dá)裝置外部。管腔的遠(yuǎn)側(cè)開口可以包括吸盤，且柔性或彈性的細(xì)長主體可大體在其遠(yuǎn)端加裝有用工具如切割工具(如刀片、解剖刀等)、鉤和針。在一些情況下，軟機(jī)器人致動(dòng)器包括容納顆粒材料的腔室，該腔室通常是柔韌的，但可在通過施加真空而從腔室排出空氣時(shí)變得剛性。

另一方面，本發(fā)明涉及包括如上所述的兩個(gè)或更多(即多個(gè))柔性細(xì)長主體的軟機(jī)器人致動(dòng)器。細(xì)長主體可選地平行布置安放，此時(shí)它們的第一壁部彼此靠近并朝內(nèi)，其第二壁部面朝外。

另一方面，本發(fā)明涉及一種醫(yī)療裝置，其包括布置成限定出抓握件(即可抓住和放開物體的機(jī)構(gòu))的兩個(gè)或更多(即多個(gè))軟機(jī)器人致動(dòng)器。每個(gè)致動(dòng)器包括如上所述的一個(gè)或多個(gè)柔性的細(xì)長主體。

另一方面，本發(fā)明涉及一種醫(yī)療裝置，其包括細(xì)長元件和多個(gè)如上所述的軟機(jī)器人致動(dòng)器。細(xì)長元件限定出連通至每個(gè)致動(dòng)器內(nèi)的空隙的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)腔。在各實(shí)施例中，該裝置包括圍繞致動(dòng)器可移除地或可逆地設(shè)置的封閉元件以在裝置插入期間減少對主體的機(jī)械干擾。在一些情況下，該裝置包括通過“y”接頭連接到細(xì)長元件的遠(yuǎn)端的兩個(gè)致動(dòng)器。在一些情況下，用于促使致動(dòng)器分開的彈簧可設(shè)置在y形接頭處。

另一方面，本發(fā)明涉及將根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置用于通過將其插入患者身體并操作該致動(dòng)器以抓住患者身體的一部分來治療患者的用途。

附圖說明

圖1a-1d包括示例性軟機(jī)器人致動(dòng)器的三幅示意圖和照片。

圖2a-d示出示例性軟機(jī)器人致動(dòng)器的四幅單獨(dú)示意圖。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的軟機(jī)器人致動(dòng)器的壓敏彎曲。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的致動(dòng)器的某些變化的物理參數(shù)如何改變其壓敏度(即它們響應(yīng)內(nèi)壓變化的彎曲程度)。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的致動(dòng)器的某些物理尺寸。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的致動(dòng)器的示意圖，所述致動(dòng)器響應(yīng)內(nèi)部真空施加而彎曲。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的某實(shí)施例的致動(dòng)器的示意圖，所述致動(dòng)器包括硬化顆粒材料。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的某實(shí)施例的致動(dòng)器的示意圖，所述致動(dòng)器包括工作通道。

圖9a-9e示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的致動(dòng)器的各不同示意圖，所述致動(dòng)器包括外科器械、吸盤或其它機(jī)械手。

圖10示出包括導(dǎo)線的本發(fā)明致動(dòng)器的示意圖。

圖11示出本發(fā)明的包括一種或多種減振材料的致動(dòng)器的示意圖。

圖12示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多方向軟機(jī)器人致動(dòng)器。

圖13示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的包括軟機(jī)器人致動(dòng)器的抓具的照片。

圖14示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的復(fù)雜致動(dòng)器。

圖15示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性外科器械。

圖16示出包裝好以便施用的本發(fā)明外科器械的局部。

具體實(shí)施方式

以下將參見示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖來更詳盡介紹本發(fā)明。但本發(fā)明可以以各種不同的方式來實(shí)施且不應(yīng)視為被本文所述的實(shí)施例限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了使本文更充分完善并充分向本領(lǐng)域技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記始終表示相同的零部件。

根據(jù)本文，提供一種緊湊便攜式“軟機(jī)器人”致動(dòng)器，其在由致動(dòng)器的計(jì)劃展開和應(yīng)變區(qū)域的伸展所引起的曲率變化時(shí)彎曲或以其它方式改變其輪廓。根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的致動(dòng)器利用了在致動(dòng)器的對置面之間的弧長運(yùn)動(dòng)促成比例。如此選擇這些弧長比，即，致動(dòng)器展開或折疊至預(yù)定最終輪廓。最終輪廓包括任何可用于具體應(yīng)用的形狀或形狀組合。例如最終輪廓可以彎曲、扭曲、伸展和/或收縮致動(dòng)器。

如本文更全面所述，本發(fā)明的致動(dòng)器相對于現(xiàn)有致動(dòng)器設(shè)計(jì)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，本發(fā)明的致動(dòng)器一般具有線性致動(dòng)曲線，意味著它們經(jīng)歷固定位移(例如曲率半徑增減或致動(dòng)器遠(yuǎn)端相對于近端線性位移)。第二，本發(fā)明的致動(dòng)器一般具有高度可調(diào)的寬廣動(dòng)態(tài)范圍，這相比于當(dāng)前所用的眾多致動(dòng)器的逐步運(yùn)動(dòng)是一種改善，在當(dāng)前所用的致動(dòng)器中，致動(dòng)發(fā)生在超過閾值的小范圍內(nèi)。對控制致動(dòng)器來說，低于閾值的值實(shí)質(zhì)上是無用區(qū)。第三，根據(jù)本發(fā)明原則所設(shè)計(jì)的致動(dòng)器相比于現(xiàn)有致動(dòng)器設(shè)計(jì)顯然經(jīng)歷更小(如小4倍或5倍)的應(yīng)變，降低經(jīng)多個(gè)致動(dòng)周期失效的可能性并改善周期之間的致動(dòng)再現(xiàn)性。第四，本發(fā)明包括用于設(shè)計(jì)致動(dòng)器的框架，其中可以通過改變較少參數(shù)來協(xié)調(diào)致動(dòng)曲線，針對具體應(yīng)用簡化了致動(dòng)器的建模和設(shè)計(jì)，這減少了對致動(dòng)器設(shè)計(jì)物理原型的需求，縮短了其施用時(shí)間。

致動(dòng)器抵制曲率變化的能力由在用于構(gòu)造本體的材料中引起的應(yīng)變來確定。這種抑制能力可在極寬的量度范圍內(nèi)來計(jì)劃且能通過本體幾何形狀及專用彈性體材料或非彈性體材料的選擇來調(diào)節(jié)。這樣，致動(dòng)器抑制曲率變化的能力相對于所加的壓力或真空具有可控函數(shù)關(guān)系(線性、指數(shù)、對數(shù)、正弦曲線等)，該函數(shù)關(guān)系可以在致動(dòng)器內(nèi)的不同位置被有意改變。例如在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，與平面相對地采用周期性“風(fēng)琴褶”形面，以提供適當(dāng)?shù)南鄬￠L以便彎曲并確保應(yīng)變響應(yīng)相對于彎曲曲率是線性的。這可被看作是與伸展或壓縮的螺旋彈簧相似的機(jī)械。

致動(dòng)器的功能可通過加入附加特征來增強(qiáng)，這些附加特征例如可以是用于根據(jù)命令硬化致動(dòng)器的干擾室、用于增強(qiáng)夾緊力的沿致動(dòng)器表面的吸盤以及加入鎳鈦諾線或網(wǎng)以提供流體-機(jī)電復(fù)合致動(dòng)。

在本發(fā)明的各實(shí)施例中，本文所討論的致動(dòng)器和設(shè)計(jì)特征被集成到各種致動(dòng)結(jié)構(gòu)中，包括但不限于多節(jié)觸手、多指夾具、手術(shù)牽引器、微創(chuàng)外科器械及大量其它軟機(jī)器人組件。

參見圖1，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性軟致動(dòng)器100包括對置的折疊部110和非折疊部120。圖1a是軟致動(dòng)器的照片，而圖1b-1d示出軟致動(dòng)器100的多幅示意圖，其中包括橫剖視圖，圖1d示出折疊部110和非折疊部120之間的空間關(guān)系。

轉(zhuǎn)向圖2a-2b，根據(jù)本發(fā)明的軟致動(dòng)器100一般包括一個(gè)或多個(gè)單元130，每個(gè)單元130又包括單個(gè)折疊部110，其位于致動(dòng)器的與非折疊部120相對的一側(cè)上。重復(fù)的相同單元130的線性圖案可以組合而產(chǎn)生具有恒定曲率半徑的彎曲致動(dòng)器100，如圖2c-2d所示。如圖2所示，由于致動(dòng)器100內(nèi)壓增大，致動(dòng)器100圍繞其非折疊部120彎曲。在這種布置中，由于致動(dòng)器100內(nèi)壓增大，故折疊部110的相對長度相對于非折疊部120的相對長度增大。

在某些情況下，通過按線性圖案組合一組具有不同高度、間距和壁厚的單元而產(chǎn)生具有不同曲率半徑的彎曲致動(dòng)器，可以將復(fù)雜彎曲運(yùn)動(dòng)安排到軟致動(dòng)器結(jié)構(gòu)中。通過在致動(dòng)器的多個(gè)面上具有折痕地構(gòu)造軟致動(dòng)器，可以形成一種在加壓或施加真空時(shí)產(chǎn)生多向彎曲(如螺旋形或蛇形)和/或扭曲的結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3a-3c，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的致動(dòng)器的致動(dòng)程度可以與施加于致動(dòng)器的內(nèi)壓線性相關(guān)或非線性相關(guān)。圖3a示出靜止的致動(dòng)器100，其中致動(dòng)器內(nèi)壓等于外壓(0psi)且在致動(dòng)器的近端150和遠(yuǎn)端160之間的角位移基本為零(針對本文被稱為致動(dòng)程度)。隨著致動(dòng)器100內(nèi)壓增大，角位移大致以線性方式在0到90度之間增大。

致動(dòng)器100的內(nèi)壓和致動(dòng)程度之間的關(guān)系至少部分由折疊部110的幾何結(jié)構(gòu)確定。圖4a示出內(nèi)壓和致動(dòng)之間的關(guān)系，在此，各折疊部的特征是(i)自非折疊部120的內(nèi)表面起測量的不同的最大壁高度111，(ii)在單元130內(nèi)的峰與峰之間測量的不同間距距離，以及(iii)不同的壁厚。一般，增大高度傾向于提高致動(dòng)器100的壓敏度，而增大壁厚和間距傾向于降低其壓敏度。某些情況下，有利地，根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的致動(dòng)器的致動(dòng)曲線在高達(dá)15psi的大壓力范圍內(nèi)大體是線性的，并且能在接近零psi的閾值時(shí)對壓力做出反應(yīng)。相比之下，現(xiàn)有致動(dòng)器設(shè)計(jì)的特征通常是例如等于3psi或4psi的更短的動(dòng)態(tài)范圍，通常具有比在圖4中看到的更高的壓力響應(yīng)閾值。因此，現(xiàn)有致動(dòng)器設(shè)計(jì)通常較不可控，因?yàn)樗鼈兙哂休^大的控制“死區(qū)”且在相對窄的壓力范圍內(nèi)從零致動(dòng)達(dá)到完全致動(dòng)，需要相對精密控制所加壓力以實(shí)現(xiàn)對致動(dòng)程度的控制。

根據(jù)本發(fā)明致動(dòng)器設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過將交替的“長”壁段和“短”壁段加入折疊區(qū)110內(nèi)，由致動(dòng)引起的其應(yīng)變被最小化，如圖5所示。在根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的致動(dòng)器中，折疊區(qū)110的伸展部分受到這些結(jié)構(gòu)展開的驅(qū)動(dòng)，而并非僅受到在現(xiàn)有致動(dòng)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)變伸長的驅(qū)動(dòng)。在本發(fā)明的致動(dòng)器中的應(yīng)變最小化通常提高了致動(dòng)路徑在多個(gè)周期范圍中的一致性(即，再現(xiàn)性)，減小因多個(gè)致動(dòng)周期后的材料疲勞而導(dǎo)致的機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，在傳統(tǒng)致動(dòng)器設(shè)計(jì)中致動(dòng)常伴隨有大許多的應(yīng)變，這種設(shè)計(jì)更易滯后并在多次周期重復(fù)之后更易失效。

雖然前述示例著眼于通過增大致動(dòng)器內(nèi)壓被驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)，但在優(yōu)選實(shí)施例中該致動(dòng)器100也能響應(yīng)減小內(nèi)壓被相反致動(dòng)，如圖6a-6b所示。隨著致動(dòng)器100內(nèi)壓減小，當(dāng)每個(gè)單元130的寬度減小且折疊部110的壁被合攏時(shí)，折疊部110的相對長度相對于非折疊部120的相對長度減小，由此減小致動(dòng)器100的曲率半徑。該特征有利地允許本發(fā)明致動(dòng)器根據(jù)各種應(yīng)用的需要在多個(gè)方向上作動(dòng)。

在一些實(shí)施例、例如圖7a-7b所示的實(shí)施例中，致動(dòng)器100包括內(nèi)腔170，該內(nèi)腔裝有在環(huán)境壓力下柔軟和/或柔韌的顆粒材料171，但顆粒材料在施加真空時(shí)通過真空干擾而變得剛性。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，內(nèi)腔110由致動(dòng)器100的非折疊部120和/或其一部分限定。使用中，致動(dòng)器100首先被加壓或減壓以在致動(dòng)器100內(nèi)引起期望曲率。然后，將真空施加到內(nèi)腔170，使得顆粒材料171硬化并保持其形狀。這種布置允許致動(dòng)器100保持其彎曲形狀，即便當(dāng)致動(dòng)器100內(nèi)的壓力返回至環(huán)境壓力時(shí)。

在某些實(shí)施例、如圖8a-8b所示的實(shí)施例中，本發(fā)明的致動(dòng)器100限定出一個(gè)或多個(gè)工作通道180，其朝向致動(dòng)器100外敞開且延伸穿過致動(dòng)器100的至少部分長度100以允許通過致動(dòng)器引入或排出材料。在各實(shí)施例中，工作通道180被用于在靠近致動(dòng)器100的遠(yuǎn)端160的位置提供沖洗或抽吸，或被用于允許借助致動(dòng)器100使用光譜、成像、光纖照明、電極、激光源、超聲探頭等。雖然本說明書所述的例子著重于限定出從致動(dòng)器近端延伸至遠(yuǎn)端的單腔的工作通道，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可使用任何數(shù)量的內(nèi)腔以及任何數(shù)量的近端開口或遠(yuǎn)端開口，這取決于要采用致動(dòng)器的具體應(yīng)用。例如致動(dòng)器可以包括下述工作通道，該工作通道在靠近致動(dòng)器遠(yuǎn)端的位置有多個(gè)出口點(diǎn)以用于提供沖洗。

除工作通道180之外或者代替工作通道180，致動(dòng)器可以包括其它便于操作或干預(yù)的特征。這些特征通常但非必須地設(shè)置在致動(dòng)器100的遠(yuǎn)端160和/或鄰近工作通道180。圖9a例如示出致動(dòng)器100的橫截面，該致動(dòng)器包括設(shè)置在工作通道180端部的吸盤181以允許致動(dòng)器100的遠(yuǎn)端160通過經(jīng)工作通道180施加負(fù)壓來抓住物體。圖9b-9e示出在各實(shí)施例中安置在致動(dòng)器遠(yuǎn)端部160的其它工具190，包括鉤191、切割工具如刀192、針193等。

致動(dòng)器100包括一根或多根導(dǎo)線，導(dǎo)線用于電外科的單極和/或雙極電流傳輸和/或?yàn)榍度胧窖b置如傳感器提供電流和電勢。測量感興趣的變量的任何傳感器都可與本發(fā)明致動(dòng)器連用。可被這樣的傳感器測量的變量包括但不限于溫度、電導(dǎo)率、ph、氧氣、壓力或者葡萄糖、肌酐、尿素、二氧化碳、血紅蛋白、微生物或病毒計(jì)數(shù)等中至少一種的濃度。導(dǎo)線或?qū)Ь€組可被集成到致動(dòng)器100壁(如非折疊部120的壁)中，位于工作通道160中，或穿過致動(dòng)器100內(nèi)部。在導(dǎo)線或?qū)Ь€組被嵌入非折疊部120壁中的情況下，導(dǎo)線或?qū)Ь€組可以是直的或可以具有適應(yīng)致動(dòng)器100的延伸、回縮和/或彎曲的形狀，例如盤繞、曲折形、正弦曲線、柵格、網(wǎng)等。

在一些實(shí)施例中，如圖11所示，阻尼材料101如硅樹脂或聚氨酯泡沫材料可被集成到致動(dòng)器100的主體中或以其它方式被附接到致動(dòng)器100，以便在致動(dòng)期間或之后或在與另一物體接觸后阻尼致動(dòng)器振動(dòng)。通常，材料量及材料機(jī)械性能被選擇成能實(shí)現(xiàn)期望的阻尼水平，而不會(huì)使致動(dòng)阻力增大到不期望的程度。

根據(jù)該裝置的致動(dòng)器可以組合而形成更大型的致動(dòng)結(jié)構(gòu)，例如圖12所示的多向致動(dòng)器200。例如該圖示出三個(gè)致動(dòng)器205、210和215，每個(gè)致動(dòng)器包括如上所述的折疊部和非折疊部。當(dāng)從上方觀察時(shí)，致動(dòng)器或多或少按照三角形或圓形布置就位，其中每個(gè)致動(dòng)器205、210、215的非折疊部是緊密相對且朝內(nèi)，而折疊部朝外。通過對單個(gè)致動(dòng)器加壓或減壓，多向致動(dòng)器200基本在一個(gè)方向上經(jīng)歷簡單位移。然而，通過對兩個(gè)或更多的串聯(lián)致動(dòng)器205、210、215加壓或減壓，可進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和/或施力。在如圖12所示的上述例子中，致動(dòng)器是相同的且被布置成至少部分彼此相對。但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)期望的致動(dòng)類型，用在本發(fā)明組件中的致動(dòng)器可以是不同的并且不一定彼此相對布置。

多個(gè)致動(dòng)器也可組合而形成抓握件，如圖13a-13b所示。所示抓握件300包括三個(gè)單獨(dú)的致動(dòng)器305、310和315，但在其它實(shí)施例中可使用任何合適數(shù)量的致動(dòng)器，包括兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)等。致動(dòng)器基本以三角形或圓形的方式布置，從而使其各自遠(yuǎn)端306、311、316限定出一個(gè)隨著致動(dòng)器致動(dòng)(通過增壓或減壓，取決于致動(dòng)器取向)減小的區(qū)域，由此允許抓握件300以致動(dòng)器305、310、315為手指“抓住”物體。

本發(fā)明的原理可被用于產(chǎn)生能進(jìn)行復(fù)雜致動(dòng)運(yùn)動(dòng)的單個(gè)致動(dòng)器，如圖14a-14b所示。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示例性致動(dòng)器400包括具有不同高度、間距或壁厚的兩組單元，在圖中表示為a和b。這兩組單元表現(xiàn)出不同的壓敏性并形成以不同的速率彎曲的單獨(dú)部段。在圖14所示的例子中，每個(gè)單元b具有比相鄰單元a低的高度，使得當(dāng)致動(dòng)器被加壓時(shí)其致動(dòng)類似于手指動(dòng)作，其中b部段用作接頭，而a部段保持筆直。

圖15和圖16示出采用多個(gè)本發(fā)明的“手指”致動(dòng)器的外科器械500。器械500包括細(xì)長元件510，細(xì)長元件具有可插入患者體內(nèi)的遠(yuǎn)端部。細(xì)長元件510優(yōu)選是導(dǎo)管、套管或其它結(jié)構(gòu)，其具有足夠的柱強(qiáng)度以允許插入體內(nèi)并具有至少一個(gè)用于向設(shè)置在細(xì)長元件510遠(yuǎn)端的多個(gè)致動(dòng)器520、530提供氣動(dòng)或液壓致動(dòng)的內(nèi)腔(未示出，在優(yōu)選實(shí)施例中，細(xì)長元件510包括用于每個(gè)致動(dòng)器的單獨(dú)腔以便能獨(dú)立致動(dòng)每個(gè)致動(dòng)器)。致動(dòng)器520、530優(yōu)選成形而與細(xì)長元件510的遠(yuǎn)端部形成“y”接頭，可選地包括設(shè)置在y接頭處或靠近y接頭的彈簧元件540以迫使致動(dòng)器520、530在其近端處分開。致動(dòng)器可以包含上述任何結(jié)構(gòu)特征并在許多方面是一致的(由相同單元組成)或變化的，例如包含有包括一個(gè)或多個(gè)單元的“接頭”，所述單元具有比組成致動(dòng)器的其它單元更高的壓敏度。在其近端，細(xì)長元件510可被連接到壓力源(未示出)，可選地包括本領(lǐng)域已知的連接器如螺紋公魯爾連接器或母魯爾連接器。

為了促成外科器械500的遠(yuǎn)端部包括致動(dòng)器520、530在內(nèi)地順利插入患者體內(nèi)并保護(hù)其不受到不良力學(xué)干擾，器械500可選擇地包含一個(gè)或多個(gè)封閉部550，圖15示出其一個(gè)實(shí)施例，在此封閉件是一個(gè)在器械500插入患者身體時(shí)可至少包裹致動(dòng)器520、530的囊套551。囊套551在某些實(shí)施例中通過機(jī)械手段如鉸鏈、彈簧或通過溶解或腐蝕可被去除。在如圖15所示的其它實(shí)施例中，囊套551是可伸縮的或能在已縮回而露出致動(dòng)器520、530時(shí)可被封閉。在其它實(shí)施例中，致動(dòng)器520、530最初被包含在一個(gè)伸縮護(hù)套(未示出)中，護(hù)套越過致動(dòng)器520、530被抽走以施用致動(dòng)器。

使用中，根據(jù)本發(fā)明的器械500的遠(yuǎn)端pf通過任何合適的通道，包括但不限于經(jīng)皮(如通過套管針560)、內(nèi)窺鏡或腹腔鏡的方式被放到患者體內(nèi)。一旦就位，在其用在醫(yī)療處置前，位于器械遠(yuǎn)端的封閉件550被取出、打開或以其它方式被操縱以露出致動(dòng)器520、530。根據(jù)本發(fā)明的器械特別適用于操作軟組織例如腸組織，或適用于剛性器械在此可能夾緊、碰撞或以其它方式對靠近感興趣的手術(shù)位點(diǎn)的組織和器官施以不希望的力的有限空間。

致動(dòng)器520、530可選地能夠癟縮至節(jié)省空間形態(tài)以便插入體內(nèi)。例如，如圖16所示，可以在遞送之前和遞送過程中使致動(dòng)器520、530的折疊部相互交錯(cuò)以縮小其輪廓且便于插入體內(nèi)。也可采用可取掉的夾子570以在插入過程中約束致動(dòng)器520、530。

為了簡單起見，上述例子著眼于包含折疊部和非折疊部的實(shí)施例，但根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的某些致動(dòng)器包含具有彼此反向的變化的壓力響應(yīng)性的第一和第二伸縮部分。使用彼此相對的兩個(gè)第一和第二折疊部例如會(huì)造成既伸長也彎曲。此外，上述實(shí)施例通常關(guān)注于折疊部和非折疊部的線性布置，但非線性布置也可被用于產(chǎn)生復(fù)雜的致動(dòng)運(yùn)動(dòng)。例如，折疊部和非折疊部形成螺旋布置形式的細(xì)長致動(dòng)器將致動(dòng)而形成螺旋結(jié)構(gòu)。

此外，前述例子關(guān)注于具有或多或少正弦?guī)缀涡螤畹恼郫B部，但應(yīng)當(dāng)理解，包含交替的“峰”和“谷”的任何幾何形狀均可能適用于本發(fā)明的某些實(shí)施例。

最后，本說明書關(guān)注于包含“柔性細(xì)長體”的致動(dòng)器，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)應(yīng)用的不同，致動(dòng)器可選地或優(yōu)選地包括不僅是柔性的(能彎曲或者在施力下變形)、也可以是彈性的(能在力作用下彎曲或變形并在力撤銷時(shí)返回其原始形狀)、可拉伸的或彈性體的材料。

如本文所用，以單數(shù)描述且冠以用詞“一”或“一個(gè)”的元件或步驟應(yīng)被理解為不排除復(fù)數(shù)的元件或步驟，除非這樣的排除被明確記載。此外，提到本發(fā)明的“一個(gè)實(shí)施例”并不是要解釋為排除存在也包含所述特征的其它實(shí)施例。

雖然已經(jīng)參照某些實(shí)施方式公開了本發(fā)明，但可以在不超出如所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明范圍的情況下進(jìn)行對所述實(shí)施的眾多修改、改變和變化。因此，本發(fā)明并不打算被局限于所述實(shí)施例，而是它具有由后附權(quán)利要求書的語言及其等同所限定的全部范圍。