本文介绍了一项针对腹腔镜手术（laparoscopic surgery）中工作空间创建问题的原创性研究。该研究由Keisuke Naito、Takahiro Kanno、Tetsuro Miyazaki和Kenji Kawashima等人完成，作者均来自东京医科齿科大学（Tokyo Medical and Dental University）。该论文发表于2017年IEEE/SICE国际系统集成研讨会（Proceedings of the 2017 IEEE/SICE International Symposium on System Integration），会议于2017年12月11日至14日在中国台北举行。

该研究属于微创外科手术器械与医用软体机器人交叉领域。在腹腔镜手术中，通常需要通过向腹腔内注入二氧化碳气体来制造气腹（pneumoperitoneum），从而扩张腹壁、为手术器械提供操作空间。然而气腹法存在高碳酸血症、酸中毒、气体栓塞、气胸以及腹内压升高等并发症风险。为规避上述风险，临床上也有采用机械提拉装置的无气腹（gasless）手术方法，但这类方法往往手术空间有限、可能损伤腹壁且会干扰手术器械操作。针对这一临床痛点，作者提出了一种结合气动软体执行器（pneumatic soft actuator）和负压吸附杯（vacuum cups）的新型腹壁提拉装置，目标是在不向腹腔注入气体的前提下，通过外部吸附并提拉皮肤来形成足够的手术操作空间，同时避免机械提拉装置对组织的损伤和对器械的干扰。

该研究的整体工作流程可分为装置设计与制造、单杯吸附性能评价、执行器提拉性能评价以及气球模拟提拉验证四个主要环节。

在装置设计与制造阶段，作者首先进行了力学需求计算。以腹围约80 cm的日本成年男性为假想对象，提拉面积设定为100 mm×200 mm，即2.0×10⁴ mm²；参考气腹法10 mmHg（1.33 kPa）的压力条件计算所需提拉力。吸附杯底部圆面直径设定为20 mm，负压设定为-40 kPa。经理论计算，所需吸附杯数量为2.1个，考虑安全系数4后为9个；再为了防止同一位置长时间吸附造成皮肤淤血，装置采用两路负压交替吸附机制，吸附杯总数加倍为18个。吸附杯由3D打印机（Bonsai Lab BS01）以聚乳酸（polylactic acid, PLA）材料制成。气动软体执行器采用Dragon Skin 30硅胶材料，通过3D打印模具（Ultimaker 2+）浇注成型并冷凝固化。制造过程使用两个模具：模具A先浇注硅胶，经10分钟脱气后，在40℃恒温箱中固化5小时；随后将固化硅胶的边缘嵌入模具B中再次浇注硅胶，经过脱气和加热固化使两部分硅胶粘合，最终得到盒状弯曲执行器。吸附杯通过挂钩插入执行器上的孔位进行固定。

在单杯吸附性能实验中，作者比较了三种底部接触条件的吸附杯：无橡胶圈、硅胶橡胶圈和聚氨酯橡胶圈；同时使用铝板和硅胶板两种吸附对象，共构成6种组合。实验通过弹簧秤测量吸附力，杯内负压约为-100 kPa。铝板实验中每种杯测量5次；由于聚氨酯橡胶圈在硅胶板上的测量波动较大，硅胶板实验中硅胶圈和聚氨酯圈各测量15次。结果表明，所有类型的杯对硅胶板的吸附力均大于对铝板的吸附力；三种杯中，带硅胶橡胶圈的杯吸附力最大，聚氨酯橡胶圈最小；聚氨酯橡胶圈在铝板条件下甚至无法完成吸附。

在执行器提拉性能实验中，作者将两个吸附杯安装于执行器两端凹槽中，吸附对象为粘贴在45°弯折铝板上的硅胶弹性体，杯内负压为-100 kPa。其余四个凹槽挂载相同重量的砝码，形成0 g、50 g和100 g三种负载条件。实验在0至100 kPa范围内每20 kPa递增和递减测量一次，记录执行器的弧长和高度，每个条件测量3次取平均值，以考察迟滞（hysteresis）效应。结果显示，执行器高度和弧长随施加压力成比例增加。负载条件下，50 g负载时执行器压力超过80 kPa后吸附杯脱落，100 g负载时超过60 kPa即脱落。无负载时执行器可达到80 kPa以上。弧长受负载影响较小，而高度在负载增加时有所下降，但在80 kPa时不同负载下的高度趋于接近无负载状态。迟滞现象在弧长和高度位移上均较小。

最后，作者以橡胶气球为模拟对象进行了应用验证实验。执行器上安装6个吸附杯吸附于气球表面，当执行器加压至100 kPa时，执行器中心处气球表面吸附面的高度位移为13 mm；左端吸附部与气球顶部之间的垂直距离由加压前的27 mm增加至100 kPa时的45 mm，垂直位移增加了18 mm。实验过程中吸附杯未从气球表面脱落，执行器正常伸展。但作者指出，该位移距离仍不足以达到气腹法对应的40 mm目标，且执行器运动中出现了类似夹捏（pinching）的形变，水平方向长度缩短，未实现理想的拱形提拉变形。

研究结论认为，该装置能够通过吸附皮肤并由气动软体执行器提拉来扩大腹腔内手术空间，其优势在于吸附位置易于改变、无CO₂气体并发症风险、无腹壁损伤风险、且不干扰手术器械。吸附力实验表明硅胶橡胶圈接触面的吸附性能最优，对硅胶板的吸附效率接近理论值的100%。由于人体皮肤比硅胶更柔软，作者推断在实际皮肤上可获得相近的吸附性能。气球提拉实验验证了装置的基本功能，但提拉位移尚不足，且两端吸附杯未被刚性固定以及气球张力高于人体腹壁可能是造成执行器水平缩短的原因。作者提出未来应改进执行器两端的固定机制，使两端吸附杯位置可靠固定但允许自由旋转，同时缩短执行器与吸附杯表面之间的距离以增大初始曲率半径和伸展量。未来工作还包括在动物皮肤等更接近真实的环境中进行测试。

该研究的亮点在于：第一，提出了一种将负压吸附杯与气动软体执行器结合的腹壁提拉方案，理论上兼具气腹法和无气腹机械提拉法的优点；第二，设计了双负压气路交替切换机制，有助于避免长时间局部吸附引起的皮肤淤血；第三，系统比较了不同接触材料对吸附力的影响，并通过实验确定了硅胶橡胶圈的优越性；第四，通过气球模拟实验初步验证了装置在柔性曲面上的吸附与提拉可行性，为后续动物实验提供了基础。此外，作者建立的基于目标提拉面积和参考压力的吸附力计算方法，也为后续装置参数化设计提供了可参考的工程路径。