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| 本文作者： 吳思夢 | 2026-05-27 19:04 | 專題：ICRA 國際機器人與自動化會議 |
來源：公眾號“labrn”
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/-zkOZHQ3QERKJ_AXxXvdRw
香港中文大學任洪亮教授團隊論文《用于消化道微創活檢的仿生剪紙膠囊機器人》被機器人領域頂會 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），儲逸塵（東北大學），趙書煒（香港中文大學）， 岳文超（香港中文大學）， 鄧承恩（香港中文大學），任洪亮*（香港中文大學）
論文簡介：
無線膠囊內鏡（WCE）實現了消化道無創可視化，但臨床確診仍離不開組織病理。為解決“只能看、不能取”的關鍵瓶頸，本文提出 Kiri-Capsule：通過 kirigami 折展尖刺實現淺層可控接觸，并結合旋轉刮取與內部封裝，實現可回收的胃/小腸活檢樣本采集。實驗顯示：PI 薄膜楊氏模量約 20 MPa，15% 應變時折展角約 34°；離體豬組織穿刺深度中位數約 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。
主要貢獻：
提出仿生 kirigami 活檢膠囊 Kiri-Capsule，實現可控折展尖刺 + 旋轉刮取的微創采樣流程。
設計緊湊的雙凸輪驅動機構，實現可重復、可逆的部署與回收。
通過內部腔體封裝存儲樣本，支持取出后病理分析；并系統驗證深度、力與樣本產量。
Fig. 1：系統總覽與流程：吞服進入胃/小腸 → 雙凸輪驅動折展 → 旋轉刮取 → 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）機構驅動前端執行器：第一階段帶動擴張板外移并拉伸 kirigami 皮膚，形成折展尖刺；第二階段進入曲線槽后帶動擴張板旋轉，實現貼附狀態下的刮取分離；反向驅動可回收復位。
在采樣表面設計上（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行權衡，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（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：膠囊原型機與尺度：完整組裝效果與關鍵部件展示（直徑≈17 mm，長度≈22 mm）。
首先對 kirigami 薄膜進行力學與折展表征。拉伸測試顯示厚樣本（0.15/0.2 mm）驅動力需求顯著增加，不利于膠囊尺度驅動，因此后續采用更薄的 PI 樣品；折展角 θ 隨應變增加，在 ε=0.15 時約 34°。同時進行了Kirigami 薄膜拉伸表征和折展角 θ 表征。
為保證動作可重復，系統給出了 PCB/Arduino 控制方案，并完成電機角度標定，建立輸入脈沖與輸出轉角的線性關系（R2=0.99）。
隨后在離體組織上評估穿刺深度與力學安全性。穿刺深度中位數約 0.61 mm（0.46–0.66 mm），體現淺層、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。
最后進行離體活檢驗證。樣本可被鱗片表面攜帶并進入膠囊內部腔體封裝保存；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：
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.
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