Японські та американські інженери розробили компактний маніпулятор для проведення хірургічних операцій з точністю до 26,4 мікрометра. Він працює на базі невеликих п'єзоелектричних актуаторів, тому його маса становить всього 2,4 грама, розповідають автори статті в.
При мікрохірургічних операціях лікарі працюють з невеликими органами та їх ділянками, наприклад, з нервовими закінченнями або капілярами. Відстежувати хід операції просто: для цього застосовують мікроскопи, які відносно зручно підвішуються над пацієнтом. Але саме хірургічне втручання вимагає від лікаря вкрай точних і акуратних рухів, тому навіть невеликий тремор може ускладнити операцію і підвищити ймовірність помилки. Для мікрохірургії існують допоміжні роботи, якими керує хірург, але вони майже завжди масивні і дороги.
Хіроюкі Сузукі (Hiroyuki Suzuki) з компанії Sony і Роберт Вуд (Robert Wood) з Гарвардського університету продемонстрували прототип мініатюрного маніпулятора для очних мікрохірургічних операцій. В його основі лежить орігамі-конструкція. Спочатку інженери створили композитний лист, в центрі якого розташовується поліімідна плівка, а по обидва боки від неї наклеєний вуглеволоконний шар. Після створення аркуша в ньому зробили прорізи і потім частини листа зібрали в об'ємну конструкцію. У такому положенні проявляється перевага конструкції з гнучкою плівкою і жорстким вуглеволокном: вона працює як амортизований петлевий механізм.
Конструкція має три ступені свободи завдяки трьом лінійним п'єзоелектричним актуаторам, які працюють на ефекті прилипання-ковзання. Основні два компоненти актуатора - це напрямна рейка і закріплений на ній рухомий блок. У блоці встановлена проста спіральна пружина, яка несильно притискає його до рейки, а також два фотоперивальники, які випромінюють і приймають сигнал, а в разі, якщо прийом перервався, реєструють це. Вони потрібні для відстеження переміщення блоку по рейці: для цього в ньому з двох сторін є два набори отворів, причому зміщених відносно один одного.
Підстава рейки з'єднана зі смужкою з п'єзоелектричного матеріалу, який під дією напруги розширюється або стискається. Саме він відповідає за рух блоку: для руху вперед напруга поля збільшується поступово і блок рухається вперед разом з рейкою, а після цього п'єзоелектрик різко скорочується, притискної сили пружини стає недостатньо і блок залишається на місці, а рейка повертається назад. При цьому фотоперивателі підраховують пройдену відстань завдяки тому, що отвори в рейці під час його руху зсуваються відносно датчиків. Для руху назад використовується зворотна схема. Два таких актуатори прикріплені до трьох різних частин конструкції, а третій закріплений на кінці і на ньому можна розташувати голку або інший інструмент для операції.
Завдяки такій конструкції маса пристрою становить всього 2,4 грама, а її розміри - сім сантиметрів у довжину і по п'ять в ширину і висоту. Невеликі розміри і актуатори дозволяють вкрай точно керувати положенням голки. Наприклад, частину голки можна задавати як центр руху і обертати іншу конструкцію навколо нього. Інженери оцінили точність апарату, розмістивши на середині і кінці голки два маркери, і відстеживши їх руху за допомогою двох камер. Порівнявши команди з реальним рухом вони визначили, що середньоквадратичне відхилення становить близько 0,53 кута і 24,6 мікрометра. Також вони встановили, що максимальна сила апарату становить 0,17 ньютона.
Розробники показали два наочних приклади можливостей апарату. В одному вони порівняли точність руху голки по квадрату зі стороною 0,5 міліметра під керуванням людської руки і апарату, і з'ясували, що апарат пересувається набагато точніше. У другому вони показали, що сили актуаторів достатньо, щоб голка проткнула невелику силіконову посудину.
Схожі компоненти, в тому числі п'єзоелектричні актуатори і гнучкі механічні передачі з композитів, також використовуються в проектах зі створення мікророботів. У тому числі їх створює група автора цієї роботи Роберта Вуда. Нещодавно його команда інженерів створила мініатюрного чотирилапого робота HAMR-Jr вагою всього 320 міліграм.