本研究由 Thanh Nho Do 博士团队完成，主要作者包括 Chi Cong Nguyen、Timotius Teh、Mai Thanh Thai、Phuoc Thien Phan、Trung Thien Hoang 等。研究团队来自澳大利亚新南威尔士大学（UNSW Sydney）生物医学工程研究生院及机械与制造工程学院。该论文发表于 IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics 期刊2023年8月第5卷第3期，页码为590至601页。研究得到了美国直觉外科公司（Intuitive Surgical, Inc.）技术研究基金（RG204224）和 UNSW Scientia 奖学金（PS46197）的资助。
心血管疾病（cardiovascular diseases, CVDs）和胃肠道（gastrointestinal, GI）癌症是全球范围内导致死亡的主要原因。微创手术（minimally invasive surgery, MIS）作为现代外科中发展最为迅速的治疗方式，相较于传统开放手术具有不可否认的优势。然而，用于微创手术的器械大多为刚性结构，灵活性有限，且直径相对较大。近年来，软体机器人（soft robotics）技术为应对这些挑战提供了重要前景。小尺度软体连续体机器人（soft continuum robots），如导丝（guidewires）、导管（catheters）和软体机器人臂（soft robotic arms），相较于传统刚性器械展现出显著优势，能够提高诊疗操作的安全性，降低感染风险和身体应激，并缩短恢复时间。
现有导管系统主要依赖刚性拉线机构（pull-wire mechanism）驱动，存在显著的非线性迟滞（nonlinear hysteresis）和高力损失问题。此外，这些系统通常需要多个致动器（actuators）来操纵弯曲末端，以便在器官内部的复杂解剖角落中工作。在血栓清除方面，通过导管进行支架取栓（stent retrieval）的方法存在操作困难、取栓力不足和机制复杂等缺点。针对上述挑战，本研究提出了一种新型手持式液压软体机器人导管系统，该系统仅需单一软体致动源即可实现双向弯曲运动和三维螺旋形状，并配备便携式人体工学控制接口。
本研究的设计与制造分为三个核心组件的开发：双向软体弯曲末端执行器（bidirectional soft bending end-effector）、柔性主体（flexible body）和触控笔式手柄（stylus handle）。研究团队成功制造了三种不同规格的原型，分别为“可转向导丝”（steerable guidewire）、“软体弯曲导管”（soft bending catheter）和“软体机器人弯曲臂”（soft robotic bending arm），三者的外径（outer diameter）分别为0.8毫米、2.7毫米和5.5毫米。
柔性弯曲机器人臂由外部约束鞘管（outer constrained sheath）和内部软体液压细丝人工肌肉（hydraulic filament artificial muscle, HFAM）构成。外部鞘管采用柔性材料制成，具有连续的切割槽（cutting slots），形成虚拟铰链（virtual hinges），使得在液压源加压时能够弯曲成圆形。内部HFAM由柔性硅胶管插入外部螺旋弹簧（helical spring）中组成，再置入外部鞘管，成为弯曲执行器的致动器。
针对不同原型的制造，研究采用了三种不同的工艺方法。对于可转向导丝的外鞘，团队使用放大镜辅助手工切割医用级聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）管材，该材料具有超薄壁特性，可在不明显增加外形尺寸的情况下增强刚度。软体弯曲导管的外鞘则采用聚烯烃热缩管（polyolefin heat shrink tube）手工切割制成。为保障切割精度和一致性，团队设计了三维打印切割夹具（jig）。第三种原型——软体机器人弯曲臂的外鞘采用三维打印技术制造，使用热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane, TPU）作为基材。TPU是一种柔性弹性体，具有良好的压缩和拉伸性能，便于沿臂轴方向弯折同时对维持结构形态阻力较小。最后，将HFAM插入各外鞘，并在外表面涂覆一层薄薄的 Ecoflex-0030 硅胶。需要指出，当硅胶填充入切割槽间隙时，逆时针方向弯曲变得略微困难，因为需要压缩被困在间隙中的硅胶，从而需要额外的力。
人体工学手柄（ergonomic handle）包含两个壳体盖、一个触控笔控制器（stylus controller）、两个连杆（linkages）、一个活塞连接器（piston connector）、一个可拆卸部件以及若干螺栓、螺母和销钉。两个连杆与活塞连接器通过三个旋转关节相连，形成滑块-曲柄机构（slider-crank mechanism）。手柄本体和连杆使用聚乳酸（polylactic acid, PLA）材料通过三维打印制造。用户通过对触控笔控制器施加旋转运动和扭矩，转换为注射器柱塞（syringe plunger）的滑动位移和轴向力。根据柱塞对执行器运动提供适当响应性的能力，确定了手柄的比例尺寸。可转向导丝手柄为最小规格，而软体弯曲导管和软体机器人弯曲臂的手柄分别按1.5:1和2:1的比例放大。
装置的柔性主体由流体传输管（fluid transmission tubes）构成，外部覆盖螺旋线圈和超薄壁热缩管。附加的热缩管有助于提高装置主体的刚度而不牺牲其柔韧性。触控笔控制器产生旋转角θ，进而产生注射器柱塞的线性位移Δx_b，该位移可由几何关系导出：Δx_b = 2OA(cosθ − cos α_0)，其中α_0为OA与OB之间的初始角度。团队对手柄工作进行了仿真验证，以导丝导管为例，OA = OB = 9毫米，初始角度α_0 = 33.9°。
为准确预测弯曲角度，研究团队建立了分析模型。HFAM产生的收缩力由公式（1）给出，该公式综合考虑了内橡胶管的拉伸比（stretching ratio）α_m、杨氏模量E、位移x、流体压力p以及线圈的刚度常数k_c等因素。施加的流体压力p与HFAM伸长量x之间的关系由公式（2）表达。对于外部约束鞘管中的三角形切割槽，小段HFAM的长度h由公式h = 2(r+y)tan(α)确定，其中r为鞘管内径与厚度之和，2α为铰链头角（hinge head angle）。在纵向应变ε下，HFAM段在三角形切割槽内的伸长量Δh = hε。三角形切割槽的旋转角β可由tan(β) = Δh/(r+y) = 2εtan(α)确定。在HFAM中心线处，h = w_c（三角形在鞘管中心线上的宽度）。假定柔性臂弯曲时形成半径为r_a的圆弧形状，总弯曲角θ可表示为θ = l_1/r_a。经过推导，最终得到总弯曲角θ的表达式（公式10），该式包含铰链头角2α、切割槽数量n、未切割段长度h_b以及鞘管中心线上三角形宽度w_c等关键参数。数学模型揭示，在特定应用中，当HFAM和外鞘的尺寸无法改变时，决定软体机器人装置弯曲姿态的主要因素是初始铰链头角2α和切割槽数量n。
研究团队开展了多项实验验证。首先，利用数字成像技术测量弯曲运动，采用黑色背景以增强执行器与背景之间的颜色对比度，使用尼康D7500单反相机进行视频录制。视频随后被分割为多帧图像，在MATLAB中进行数据处理。图像处理方法包括从分割图像中估计弯曲执行器的中心线（centerline），然后转换为数据图。由于执行器的切割槽一端材料较少而另一端较多，提取的中心线会偏向鞘管的平坦部分。为解决此问题，原始图像先经过50次迭代的主动轮廓（active contour）叠加处理，再进行中心线提取。实验结果表明，输入压力与输出伸长量之间存在迟滞环（hysteresis loops），这归因于所用内硅胶管外径小于弹簧内径导致的弹性材料高度非线性变形，以及流体通道中空气泡的不完全去除。伸长模型的归一化均方根误差（normalized root mean squared error, NRMSE）为0.3045，弯曲角模型的NRMSE为0.2789，表明模型能够以合理精度预测数据趋势。
研究还进行了三维螺旋形状实验，证明柔性臂能够形成螺旋形态并作为微型夹持器（micro-gripper）使用。实验显示，可转向导丝能够抓取M1.2螺栓和外径1.2毫米的模拟血管，使用Mark-10测力计测量平均最大抓取力为0.24 ± 0.015牛顿。此外，团队在填充水的模拟血管中进行了血栓清除实验，使用4%琼脂制成的橙色果冻模拟血栓，成功演示了导丝的螺旋抓取方法。
接触力测试采用三维力传感器（ATI Nano 17）进行。实验表明，收缩状态下的机器人臂最大接触力为0.225牛顿，略高于伸长状态，该力值足以满足心脏消融手术的要求。最后，团队在猪组织上进行了离体消融实验，将电极集成到软体弯曲臂末端，连接至单极电外科单元，成功实施了组织消融。
本研究的核心成果在于成功开发了一种仅需单一软体液压致动源即可实现完全双向弯曲运动和三维螺旋形状的手持式软体机器人导管系统。三种原型的最大弯曲角度和最小弯曲半径等规格在表II中有详细记录。实验证实，可转向导丝能够在1.8毫米内径的模拟血管模型中进行导航，展示了其在血管内介入手术中的应用潜力。
迟滞特性研究揭示了系统的重要特征。尽管输入压力与输出运动之间存在迟滞，但使用液压肌肉的主要优势在于能够在身体构型或传输路径变化时保持迟滞环的稳定性（即恒定能量损耗）。这一特性已在先前工作中与常规腱鞘机构（tendon-sheath mechanisms）的性能对比中得到验证。在实际应用中，可通过施加更高水平的内微管预拉伸或优化制造方法和研究先进材料来减小迟滞。响应时间测试表明，导丝柔性体在长达约2米的随机构型下，输入与输出信号之间的平均响应延迟约为0.0482秒，被认为对血栓清除的预期应用是可接受的。
本研究开发了一种全新的双向软体液压导管系统，在软体机器人导管领域代表了新的方法，可能简化现有需要至少两个致动器才能实现双向运动的导管系统的控制过程和建模。最小的执行器原型可用于血栓清除，对治疗中风等血栓栓塞性疾病具有潜在应用价值。较大的两个执行器原型则面向心脏消融和胃肠道消融手术，可用于治疗心律失常和早期胃肠道癌症。
该研究的科学价值在于建立了能够描述输入压力与HFAM伸长量之间关系以及柔性臂输出弯曲角的分析模型，并通过实验验证了模型的合理性。应用价值体现在三个方面：可转向导丝的螺旋形成能力使其能够作为微型夹持器在受限空间中使用，更重要的是可用于替代支架取栓的血栓清除新方法；软体弯曲导管和软体机器人弯曲臂配合集成金属电极可在离体实验中有效实施消融手术；接触力测试结果证实了系统产生的力足以满足心脏消融手术的临床要求。
本研究的主要亮点包括：单一液压致动源实现双向弯曲（至少180°）和三维螺旋形态的独特设计；采用手工切割与三维打印相结合的简单可扩展制造方法；建立了具有合理预测精度的数学分析模型；以及在模拟血管环境中验证了血栓清除的可行性。
研究团队同时指出了若干局限性：导管尚无法提供实时力反馈，建议集成软体电阻式或电容式传感器；系统刚度为恒定值，可考虑引入热相变材料等变刚度元件以增加有效载荷能力；实验在理想环境中进行，未考虑组织变形和周围环境干扰，建议开展活体动物临床前试验；当前系统产生的力仍然较小，可考虑结合磁驱动等辅助方式；以及建议引入磁跟踪系统或MRI以实现导管插入过程中的实时尖端检测。