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本研究由新加坡国立大学（National University of Singapore）生物医学工程系的Gavril Yong En Tan、Shaun Mahesh Buxani、Benjamin Wee Keong Ang、Chao Yu Chen、Raye Chen Hua Yeow以及新加坡国立大学外科系的Hung Leng Kaan共同完成。其中，Gavril Yong En Tan和Shaun Mahesh Buxani为共同第一作者，通讯作者为Shaun Mahesh Buxani。该研究得到了新加坡教育部学术研究基金一级拨款（项目号A-0002689-00-00）的资助。论文于2024年12月4日投稿，2025年1月21日被接收，2025年1月24日在线发表，2025年1月30日收录于当前卷期，发表于IEEE Access期刊第13卷，文献数字对象标识符（DOI）为10.1109/ACCESS.2025.3534019。
从学术背景来看，该研究属于软体机器人（soft robotics）与外科医疗器械的交叉领域，重点关注外科手术拉钩（surgical retractor）的创新设计。外科拉钩在几乎所有类型的手术中都是至关重要的器械，用于牵开软组织以改善手术视野。然而，传统拉钩在过去数十年间在结构设计上变化甚少。手持式金属拉钩虽然操作简便、易于调整位置，但长时间手术会导致助手肌肉疲劳，且体积较大的拉钩附件可能遮挡视野。自保持拉钩（self-retaining retractor）虽然能够解放助手双手，但可能带来组织创伤、疤痕形成以及因牵拉压力过高而导致的术中和术后并发症。近年来，为减少过度牵拉造成的损伤，临床上出现了塑料鞘套式拉钩，如Protractor和Alexis O系统，它们能降低术后感染率，但存在被锐器划破以及需润滑处理等不便之处。软体机器人因其高自由度与柔顺性在微创手术末端执行器中获得了成功应用，然而其输出力不足，难以用于较大组织的牵拉。因此，研究者试图开发一种具有可变刚度（variable stiffness）的软体机器人外科拉钩，在柔软状态下便于置入与定位，随后通过刚度增强来提升承载能力。本研究的目的一方面在于设计并制造一种新型的基于3D打印和气压驱动的软体拉钩，另一方面则通过系统的实验表征和体外模拟来评估其相比于传统Langenbeck拉钩的性能。
在材料与方法部分，研究团队设计了一种双组件系统，将3D打印的柔性手指执行器（finger actuator）与不锈钢夹片（stainless-steel splint, SSS）相结合。执行器采用Filaflex 60A热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane, TPU）材料制造，该材料邵氏硬度为63 Shore A，拉伸强度为26 MPa。打印使用Creality Ender 3 V2 3D打印机，并采用改进的Omniadrop V2.1挤出装置。每个执行器重量为68.28 g，尺寸为195 mm长、25 mm宽、19 mm高。执行器包含三个气动压力入口：两个分别用于控制近端弯曲段（proximal bending segment）和远端弯曲段（distal bending segment）的弯曲运动，另一个用于驱动“堵塞机制”（jamming mechanism）。近端和远端弯曲段各包含11个齿状结构与12个波纹管（bellow）结构，齿状结构位于波纹管下方，可在手术中与组织直接接触，提供牵引力与稳定性。不锈钢夹片在执行器内部穿过波纹管，通过增加摩擦实现动态刚度调节，当摩擦力超过气动压力产生的力时，系统进入堵塞状态，从而获得足够的牵拉保持力。控制系统由三个3/2电磁阀分别控制三个气动入口，使用Arduino Mega 2560微控制器执行控制逻辑，利用Airtac气动调节器和DPS系列数字压力传感器实现实时压力反馈。
在实验方法上，研究包含了一系列力学与运动学表征实验。首先是弯曲角度测试，分为垂直弯曲测试和水平弯曲测试。垂直测试分别在有、无SSS的条件下进行，并以10 kPa为间隔从0 kPa加压至150 kPa，使用Physlets Tracker开源软件对弯曲角度进行测量与分析；无SSS时由于自接触行为，弯曲角度测试被限制在80 kPa以内。水平测试则模拟实际组织牵拉场景，执行器水平放置并装配SSS，同样以10 kPa为间隔进行角度测量。其次为中部力与尖端力测试，使用JSV H1000加载试验机，并采用此前Chen等人研究中使用的定制夹具。中部力测试仅对近端弯曲段进行充气，尖端力测试仅对远端弯曲段进行充气，充气压力从0 kPa逐步增加至150 kPa，间隔为10 kPa，试验机以1 mm/s的速度上升并记录峰值力，每个压力条件下重复三次。再次为阻塞力（blocked force）测试，将1 kg称重传感器放置于中部堵塞段末端，仅对近端弯曲段充气，同样以0至150 kPa、10 kPa为间隔加压，以测量执行器在受约束状态下输出的最大力。第四为驱动时间测试，在150 kPa的标准压力下，通过智能手机相机录制各弯曲段从充气开始到达到最大弯曲角度所需的时间，并使用Physlets Tracker软件进行逐帧分析，每个弯曲段重复三次。最后为手术应用模拟实验，使用3D打印的腹腔模型以及不同质量的水球模拟腹部器官，将软体机器人拉钩与两个长度为50 mm、宽度为11 mm的传统不锈钢Langenbeck拉钩进行对比。实验中所有气动段均加压至150 kPa，并采用优化后的驱动时间。每组测试分为尖端牵拉与中部牵拉两种模式，通过标记导板与Tracker软件测量牵拉距离。
研究结果显示，在垂直弯曲测试中，无SSS时远端弯曲段的弯曲角度优于近端弯曲段，这主要归因于执行器自身重量对近端段产生的额外力矩需求。加入SSS后，两个弯曲段的弯曲角度均有所降低，表明SSS产生的摩擦阻力起到了抑制弯曲的作用。在水平弯曲测试中，近端弯曲段在0至110 kPa范围内始终表现出比远端弯曲段更大的弯曲角度，而在120 kPa以上时近端段弯曲角度趋于平台，最大值约为81°，远端段在更高压力下弯曲角度超过近端段。0 kPa时近端段的初始弯曲角度为53.8°，主要源于执行器自身重力。中部力测试结果表明，在0至10 kPa时几乎无输出力，从20 kPa开始输出力呈现近似线性增长，至150 kPa时峰值平均中部力为5.3 N。尖端力测试则显示，在150 kPa时峰值尖端力达到27.9 N。尖端力显著高于中部力的原因可归因于力臂长度和弯曲段几何位置的不同。阻塞力测试结果呈明显线性正相关，150 kPa时平均阻塞力为3.09 N。驱动时间测试结果如表1所示，远端弯曲段所需驱动时间比近端弯曲段更长，且远端段的标准差（0.602 s）高于近端段（0.102 s），作者认为这主要与远端段运动路径更长以及与SSS之间的摩擦接触面积更大有关，但这种变异性对腹部手术中的操作性能影响有限。在手术应用模拟中，尖端牵拉测试表明，软体机器人拉钩在较轻负载下的牵拉距离与传统Langenbeck拉钩相近，但在最重水球（864.24 g）条件下其牵拉距离低于传统拉钩。中部牵拉测试进一步显示了在高质量范围下性能差距的扩大，原因在于堵塞驱动机制在高负载下出现滑移。值得注意的是，软体机器人拉钩在接触最重水球时表现出更小的形变，这表明其柔软特性可能减少对组织的机械损伤。
在结论部分，作者指出该软体机器人外科拉钩在尖端使用条件下表现出较好的牵拉性能和力输出能力，能够基本满足腹部器官牵拉的需求。相比于刚性Langenbeck拉钩，软体拉钩对被牵拉物体的形变更小，显示出降低组织创伤的潜力。然而，在中部牵拉条件下，特别是在高负载情况下，该拉钩的牵拉能力仍存在不足。为此，作者提出了未来的改进方向，包括优化堵塞段设计以产生更大的法向力、探索弯曲段与堵塞段的协同充气以增强力输出、进行活体动物实验以更准确地评估组织变形与表面压力、以及系统分析驱动耐久性并确定最佳压力设置。本研究为软体机器人外科拉钩的后续发展奠定了基础，特别是在提高手术安全性、减少组织损伤以及推动软体机器人技术在外科牵拉中的临床应用方面具有重要的科学价值和应用前景。
本文的亮点在于：第一，首次将3D打印TPU执行器与不锈钢夹片摩擦堵塞机制相结合，实现了可变刚度的软体外科拉钩；第二，通过中部力、尖端力、阻塞力、驱动时间以及弯曲角度等多层次表征，系统建立了压力与力输出之间的定量关系；第三，通过在模拟腹腔环境中与商用Langenbeck拉钩的对比实验，证明了软体拉钩在尖端牵拉条件下具有接近传统金属拉钩的性能，同时体现出更低的组织形变优势；第四，本研究提出的齿状结构与波纹管相结合的设计，为软体执行器在组织抓持和牵拉场景中的应用提供了新的思路。此外，作者在致谢中提及使用OpenAI的ChatGPT协助修正文章中的语法错误，这一做法也反映了当前学术写作中生成式人工智能工具的引入趋势。