來源：公眾號“l(fā)abrn”

原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/-zkOZHQ3QERKJ_AXxXvdRw

香港中文大學(xué)任洪亮教授團(tuán)隊論文《用于消化道微創(chuàng)活檢的仿生剪紙膠囊機(jī)器人》被機(jī)器人領(lǐng)域頂會 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2026) 錄用。

論文題目：Bioinspired Kirigami Capsule Robot for Minimally Invasive Gastrointestinal Biopsy

論文作者：趙瑞州?（香港中文大學(xué)），儲逸塵（東北大學(xué)），趙書煒（香港中文大學(xué)）， 岳文超（香港中文大學(xué)）， 鄧承恩（香港中文大學(xué)），任洪亮*（香港中文大學(xué)）

論文簡介：

無線膠囊內(nèi)鏡（WCE）實現(xiàn)了消化道無創(chuàng)可視化，但臨床確診仍離不開組織病理。為解決“只能看、不能取”的關(guān)鍵瓶頸，本文提出 Kiri-Capsule：通過 kirigami 折展尖刺實現(xiàn)淺層可控接觸，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)刮取與內(nèi)部封裝，實現(xiàn)可回收的胃/小腸活檢樣本采集。實驗顯示：PI 薄膜楊氏模量約 20 MPa，15% 應(yīng)變時折展角約 34°；離體豬組織穿刺深度中位數(shù)約 0.61 mm（0.46–0.66 mm），胃/小腸樣本量約 10.9 mg / 18.9 mg，且作用力處于胃腸道活檢安全范圍內(nèi)。

主要貢獻(xiàn)：

• 提出仿生 kirigami 活檢膠囊 Kiri-Capsule，實現(xiàn)可控折展尖刺 + 旋轉(zhuǎn)刮取的微創(chuàng)采樣流程。

• 設(shè)計緊湊的雙凸輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)可重復(fù)、可逆的部署與回收。

• 通過內(nèi)部腔體封裝存儲樣本，支持取出后病理分析；并系統(tǒng)驗證深度、力與樣本產(chǎn)量。

Fig. 1：系統(tǒng)總覽與流程：吞服進(jìn)入胃/小腸 → 雙凸輪驅(qū)動折展 → 旋轉(zhuǎn)刮取 → 樣本封裝存儲用于病理。

如 Fig. 2–3 所示，Kiri-Capsule 采用雙凸輪（dual-cam）機(jī)構(gòu)驅(qū)動前端執(zhí)行器：第一階段帶動擴(kuò)張板外移并拉伸 kirigami 皮膚，形成折展尖刺；第二階段進(jìn)入曲線槽后帶動擴(kuò)張板旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)貼附狀態(tài)下的刮取分離；反向驅(qū)動可回收復(fù)位。

在采樣表面設(shè)計上（Fig. 4），本文采用三角晶格切縫圖樣，對切縫間距、缺口長度與開口角進(jìn)行權(quán)衡，并比較不同 PI 厚度樣品；組裝后的膠囊原型如 Fig. 5 所示，尺寸約直徑 17 mm、長度 22 mm。Kirigami 采樣表面：切縫參數(shù)（δ0=0.5 mm，l1=3 mm，γ=40°）、PI 激光切割與不同厚度（0.05–0.2 mm）對比。

Fig. 5：膠囊原型機(jī)與尺度：完整組裝效果與關(guān)鍵部件展示（直徑≈17 mm，長度≈22 mm）。

首先對 kirigami 薄膜進(jìn)行力學(xué)與折展表征。拉伸測試顯示厚樣本（0.15/0.2 mm）驅(qū)動力需求顯著增加，不利于膠囊尺度驅(qū)動，因此后續(xù)采用更薄的 PI 樣品；折展角 θ 隨應(yīng)變增加，在 ε=0.15 時約 34°。同時進(jìn)行了Kirigami 薄膜拉伸表征和折展角 θ 表征。

為保證動作可重復(fù)，系統(tǒng)給出了 PCB/Arduino 控制方案，并完成電機(jī)角度標(biāo)定，建立輸入脈沖與輸出轉(zhuǎn)角的線性關(guān)系（R2=0.99）。

隨后在離體組織上評估穿刺深度與力學(xué)安全性。穿刺深度中位數(shù)約 0.61 mm（0.46–0.66 mm），體現(xiàn)淺層、可控刺入；胃組織穿刺/刮取力約 0.5–2.0 N，小腸約 0.3–1.0 N，整體處于胃腸道活檢安全范圍。

最后進(jìn)行離體活檢驗證。樣本可被鱗片表面攜帶并進(jìn)入膠囊內(nèi)部腔體封裝保存；H&E 切片顯示獲得黏膜與黏膜下層組織；取樣量（每類組織 7 次）為胃約 10.9 mg、小腸約 18.9 mg。

參考文獻(xiàn)：

Zhao, R., Chu, Y., Zhao, S., Yue, W., Tang, R. S.-Y., & Ren, H. (2026). Bioinspired Kirigami Capsule Robot for Minimally Invasive Gastrointestinal Biopsy. ICRA, 2026.

雷峰網(wǎng)