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香港中文大学任洪亮教授团队论文《用于消化道微创活检的仿生剪纸胶囊机器人》被机器人领域顶会 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2026) 录用。

论文题目：Bioinspired Kirigami Capsule Robot for Minimally Invasive Gastrointestinal Biopsy

论文作者：赵瑞州†（香港中文大学），储逸尘（东北大学），赵书炜（香港中文大学）， 岳文超（香港中文大学）， 邓承恩（香港中文大学），任洪亮*（香港中文大学）

论文简介：

无线胶囊内镜（WCE）实现了消化道无创可视化，但临床确诊仍离不开组织病理。为解决“只能看、不能取”的关键瓶颈，本文提出 Kiri-Capsule：通过 kirigami 折展尖刺实现浅层可控接触，并结合旋转刮取与内部封装，实现可回收的胃/小肠活检样本采集。实验显示：PI 薄膜杨氏模量约 20 MPa，15% 应变时折展角约 34°；离体猪组织穿刺深度中位数约 0.61 mm（0.46–0.66 mm），胃/小肠样本量约 10.9 mg / 18.9 mg，且作用力处于胃肠道活检安全范围内。

主要贡献：

提出仿生 kirigami 活检胶囊 Kiri-Capsule，实现可控折展尖刺 + 旋转刮取的微创采样流程。

设计紧凑的双凸轮驱动机构，实现可重复、可逆的部署与回收。

通过内部腔体封装存储样本，支持取出后病理分析；并系统验证深度、力与样本产量。

Fig. 1：系统总览与流程：吞服进入胃/小肠 → 双凸轮驱动折展 → 旋转刮取 → 样本封装存储用于病理。

如 Fig. 2–3 所示，Kiri-Capsule 采用双凸轮（dual-cam）机构驱动前端执行器：第一阶段带动扩张板外移并拉伸 kirigami 皮肤，形成折展尖刺；第二阶段进入曲线槽后带动扩张板旋转，实现贴附状态下的刮取分离；反向驱动可回收复位。

在采样表面设计上（Fig. 4），本文采用三角晶格切缝图样，对切缝间距、缺口长度与开口角进行权衡，并比较不同 PI 厚度样品；组装后的胶囊原型如 Fig. 5 所示，尺寸约直径 17 mm、长度 22 mm。Kirigami 采样表面：切缝参数（δ0=0.5 mm，l1=3 mm，γ=40°）、PI 激光切割与不同厚度（0.05–0.2 mm）对比。

Fig. 5：胶囊原型机与尺度：完整组装效果与关键部件展示（直径≈17 mm，长度≈22 mm）。

首先对 kirigami 薄膜进行力学与折展表征。拉伸测试显示厚样本（0.15/0.2 mm）驱动力需求显著增加，不利于胶囊尺度驱动，因此后续采用更薄的 PI 样品；折展角 θ 随应变增加，在 ε=0.15 时约 34°。同时进行了Kirigami 薄膜拉伸表征和折展角 θ 表征。

为保证动作可重复，系统给出了 PCB/Arduino 控制方案，并完成电机角度标定，建立输入脉冲与输出转角的线性关系（R²=0.99）。

随后在离体组织上评估穿刺深度与力学安全性。穿刺深度中位数约 0.61 mm（0.46–0.66 mm），体现浅层、可控刺入；胃组织穿刺/刮取力约 0.5–2.0 N，小肠约 0.3–1.0 N，整体处于胃肠道活检安全范围。

最后进行离体活检验证。样本可被鳞片表面携带并进入胶囊内部腔体封装保存；H&E 切片显示获得黏膜与黏膜下层组织；取样量（每类组织 7 次）为胃约 10.9 mg、小肠约 18.9 mg。

参考文献：

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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