用于原位生物打印的機(jī)器人平臺(tái)和路徑規(guī)劃算法

來(lái)源：生物打印與再生工程

目前的體外生物打印方法多基于支架，具有結(jié)構(gòu)脆弱、污染風(fēng)險(xiǎn)大、形狀與缺陷部位不匹配等局限性。來(lái)自比薩大學(xué)的Carmelo De Maria團(tuán)隊(duì)在Bioprinting雜志上發(fā)表題為“Robotic platform and path planning algorithm for in situ bioprinting”的文章。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款名為IMAGObot的機(jī)器人原位生物打印平臺(tái)，將生物材料直接注入受損部位，能夠在不規(guī)則的表面上制造三維結(jié)構(gòu)。

背景介紹
目前，基于支架的組織工程在臨床應(yīng)用中受到一些限制。在體內(nèi)處理和植入三維組織時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致：(1)微觀(guān)和宏觀(guān)結(jié)構(gòu)的破壞，(2)由于運(yùn)輸和人工植入而造成的污染風(fēng)險(xiǎn)，(3)對(duì)高度無(wú)菌環(huán)境的要求。此外，由于計(jì)算機(jī)斷層掃描或磁共振成像掃描的分辨率限制，使得設(shè)計(jì)輸入不準(zhǔn)確，導(dǎo)致所制造結(jié)構(gòu)的形狀可能與實(shí)際缺陷不同。

原位生物打印是解決上述問(wèn)題的一種方案。它可以按照預(yù)定義路徑將生物材料直接送入損壞部位。目前，原位生物打印方法主要分為手持式和機(jī)器人。手持式原位生物打印操作靈活簡(jiǎn)單，可以輕松制作簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。而機(jī)器人原位生物打印可以打印多種生物材料，具有重建復(fù)雜組織層次的能力。另一方面，基于機(jī)器人的原位打印方法具有3個(gè)以上的自由度，與手持式相比涉及的人工干預(yù)更少。

該研究旨在研究5自由度機(jī)械臂作為原位生物打印平臺(tái)的潛力和局限性。5自由度的使用確保了更大的工作空間；同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)3自由度的3D生物打印機(jī)，允許材料沉積在曲面和非光滑表面上，使得缺陷部位的復(fù)雜幾何形狀可以通過(guò)精確和連續(xù)的生物墨水沉積進(jìn)行修復(fù)

材料與方法
該機(jī)器人平臺(tái)是基于BCN3D的5自由度開(kāi)源機(jī)器人MOVEO開(kāi)發(fā)的(圖1A)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)采用3D打印（FDM）制造，電子硬件基于A(yíng)rduino開(kāi)發(fā)板。

1.硬件
對(duì)原版MOVEO硬件的主要修改如下：
(1)原來(lái)的末端執(zhí)行器（夾持器）被注射泵擠壓模塊所取代(圖1B)
(2)一些連接部位被重新設(shè)計(jì)，以適應(yīng)光學(xué)增量編碼器(圖1C)
(3)編碼器安裝在每個(gè)軸上，并添加了即插即用連接器，以方便維護(hù)(圖1D)
(4)為配合使用LinuxCNC開(kāi)源軟件對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)(圖1E)

圖1 IMAGObot的硬件組成

2.軟件
在LinuxCNC中，ini文件包含機(jī)器人的基礎(chǔ)配置，如名稱(chēng)、固件版本、軸的數(shù)量和屬性等。為適配IMAGOBot機(jī)器人，在ini文件中定義5個(gè)軸，即每個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)被設(shè)置為trivial，這意味著軟件中的每個(gè)軸直接對(duì)應(yīng)于物理關(guān)節(jié)。這使得可以設(shè)置g代碼中每個(gè)軸的角度來(lái)控制機(jī)器人，有效地使用了LinuxCNC外部的運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊。所有軸都定義為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，單位為度。此外，對(duì)每個(gè)軸設(shè)置了以下主要參數(shù)：最大/最小的速度和加速度、行程范圍、歸航位置和行為（即歸航速度和歸航順序），以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)置，如表1所示。

表1 每個(gè)軸的Step Scale(SS)和Encoder Scale(ES)值

ini文件還包含了PID控制器設(shè)置，具體參數(shù)如下：
· P、I、D值
· 前饋參數(shù)FF0、FF1和FF2
· 輸出偏置量BIAS
· 死區(qū)DEADBAND
· 最大輸出量MAX_OUTPUT
另外，利用HAL邏輯將用于控制壓力調(diào)節(jié)器的Arduino UNO板與LinuxCNC 控制的機(jī)械臂集成在一起。


3.路徑規(guī)劃
為了管理生物打印過(guò)程的所有階段，在Matlab中開(kāi)發(fā)了一個(gè)路徑規(guī)劃算法，如圖2所示。該算法可以表述如下：將通用打印圖案投影到表示打印區(qū)域的曲面上，為每個(gè)交點(diǎn)提取與局部區(qū)域相關(guān)的坐標(biāo)和相應(yīng)的法線(xiàn)向量。對(duì)于每個(gè)點(diǎn)，通過(guò)反向運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)評(píng)估機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度，并將末端執(zhí)行器限制在法線(xiàn)方向上。

圖2 在Matlab中開(kāi)發(fā)的路徑規(guī)劃算法

為了更快、更直觀(guān)地使用算法，使用 Matlab App Designer開(kāi)發(fā)了圖形用戶(hù)界面 (GUI)，可以在其中管理之前描述的所有算法，并能可視化模擬打印過(guò)程，如圖3所示。

圖3 由Matlab App Designer開(kāi)發(fā)的圖形用戶(hù)界面

4.打印性能評(píng)價(jià)
將機(jī)械臂末端的擠出泵更換為記號(hào)筆，并在打印平臺(tái)上放置一張方格紙，用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可重復(fù)性和最高分辨率。

重復(fù)性測(cè)試：將已知位置的一系列點(diǎn)打印三遍，并測(cè)量每次測(cè)試與前一次測(cè)試的偏差程度。打印路徑由9個(gè)點(diǎn)組成，這些點(diǎn)以方形圖案排列，彼此相距20毫米。機(jī)器人在從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的路徑中上升10毫米，在每個(gè)點(diǎn)的Z = 0處接觸平臺(tái)。然后進(jìn)行另一項(xiàng)測(cè)試，沿兩個(gè)主要方向（x和y）打印一系列點(diǎn)（11 個(gè)點(diǎn)間隔5毫米），測(cè)量偏離理想直線(xiàn)的程度以及這兩條線(xiàn)垂直的程度。該測(cè)試重復(fù)兩次。

分辨率測(cè)試：以遞減的距離（5 mm、2 mm、1 mm、500 μm、200 μm、100 μm）打印平行線(xiàn)，確定可以分辨線(xiàn)條的最小距離。每輪測(cè)試都以10、20和30毫米/秒的速度重復(fù)，并使用Matlab采集和分析圖像。

5.原位生物打印的初步測(cè)試
將30% w/v Pluronic Acid（Sigma-Aldrich，Italy）在去離子水中（一種用于擠出式生物打印的水凝膠）擠出到不同的不規(guī)則表面上，進(jìn)行了原位生物打印的初步測(cè)試。該測(cè)試以10毫米/秒的線(xiàn)速度進(jìn)行，這是生物打印應(yīng)用的典型值（范圍2-20 毫米/秒）。三種基底被設(shè)計(jì)具有不同的斜率和曲率，以模擬有缺陷的肱骨頭，并在其上進(jìn)行了原位生物打印試驗(yàn)。

結(jié)果
1.重復(fù)性測(cè)試
用于分析可重復(fù)性的打印測(cè)試一式三份進(jìn)行，每次測(cè)試后獲取圖像（圖4A為第三次試驗(yàn)的結(jié)果）。將參考系的原點(diǎn)固定在圖案的中心點(diǎn)，使用Matlab計(jì)算9個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)（表2中顯示了10mm/s打印速度下的結(jié)果）。所有打印速度下的測(cè)試都獲得了類(lèi)似的結(jié)果。

表2 重復(fù)性測(cè)試（印刷速度10 毫米/秒）：
印刷圖案上9個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)（毫米）

2.共線(xiàn)性和垂直測(cè)試
圖4B的紅色圖例顯示了原點(diǎn)和XY坐標(biāo)軸，作為Matlab分析的參考坐標(biāo)軸。使用線(xiàn)性回歸方法擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到兩條直線(xiàn)。對(duì)每次測(cè)試，還計(jì)算了相關(guān)系數(shù)R2，以評(píng)估模型的優(yōu)劣，如表3所示。最小R2為0.71，因此在最壞情況下，線(xiàn)性模型足以代表數(shù)據(jù)。

表3 共線(xiàn)性測(cè)試（印刷速度10 毫米/秒）：
每次試驗(yàn)的R2值

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，計(jì)算出兩條印刷線(xiàn)之間的角度以及印刷線(xiàn)與系統(tǒng)參考線(xiàn)之間的角度，如表4所示。所有測(cè)試的打印速度都獲得了類(lèi)似的結(jié)果。

表4 垂直度測(cè)試（印刷速度10 毫米/秒）：
評(píng)估印刷線(xiàn)與主方向之間的角度

3.分辨率測(cè)試
如圖4C所示，線(xiàn)條可以被分辨的最小間距為200um。因此，機(jī)器人能夠以至少200um的分辨率打印。所有測(cè)試的打印速度都得到了類(lèi)似的結(jié)果。

4.原位生物打印的初步測(cè)試
第一次打印試驗(yàn)是在一個(gè)有三個(gè)不同斜坡區(qū)的支架上進(jìn)行的。如圖4D所示，擠出軸始終保持垂直于支架表面，表明了算法的可靠性。

另外兩個(gè)測(cè)試在兩個(gè)不同的表面上進(jìn)行：第一個(gè)具有坡度劇烈變化的區(qū)域(圖4E)，第二個(gè)在整個(gè)表面上具有漸變且連續(xù)的曲率(圖4F)。最后，對(duì)骨模型進(jìn)行了原位生物打印試驗(yàn)，如圖4G所示。在所有情況下，該算法被證明是魯棒的，確保了材料的連續(xù)擠出。

圖4 IMAGObot 的性能評(píng)估

總結(jié)
本文介紹了機(jī)器人原位生物打印機(jī)和路徑規(guī)劃算法的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，以控制生物打印過(guò)程的所有階段。更高的自由度為在不規(guī)則表面打印材料提供了可能性。在這種情況下，原位生物打印可能在不久的將來(lái)成為現(xiàn)實(shí)，特別是對(duì)于最容易實(shí)現(xiàn)的器官，如皮膚。同時(shí)，也要面對(duì)安全人機(jī)交互的新挑戰(zhàn)：外科醫(yī)生和機(jī)器人將在手術(shù)室4.0中合作。擁有一臺(tái)“協(xié)作”的生物打印機(jī)，能夠在手術(shù)階段協(xié)助外科醫(yī)生，進(jìn)行更精確的介入，并盡量減少人為錯(cuò)誤。

參考文獻(xiàn)
Gmfa B ,  Gr A ,  Afba B , et al. Robotic platform and path planning algorithm for in situ bioprinting[J]. Bioprinting, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.bprint.2021.e00139