本文介绍了新加坡国立大学Hongliang Ren团队与新加坡国立大学医院Chwee Ming Lim合作开展的一项原创研究。该研究于2020年6月发表在ASME期刊Journal of Mechanisms and Robotics上，主要作者包括Hritwick Banerjee、Tai Kai Li、Godwin Ponraj、Senthil Kumar Kirthika、Chwee Ming Lim和通讯作者Hongliang Ren。研究团队开发了一种基于折纸（origami）结构的可变刚度可展开手术牵开器（deployable surgical retractor），并集成了触觉传感功能，旨在为耳后入路（facelift）机器人甲状腺切除术提供更安全的组织牵开方案。
从学术背景来看，机器人辅助甲状腺手术近年来发展迅速，其中耳后入路（retroauricular / facelift robotic thyroidectomy）因其美容优势而受到关注。然而传统手术牵开器通常由刚性材料制成，边缘坚硬锋利，容易对组织造成损伤，且力分布不均匀，可能导致手术创伤和并发症。软体机器人和折纸工程（origami engineering）在生物医学领域的兴起为解决这一问题提供了新的思路。折纸结构具有从平面展开为三维形态的能力，结合层堵塞（layer jamming，LJ）机制可以实现刚度的可调性。本研究的目标是开发一种受鸟类翅膀和中国折扇启发的可展开手术牵开器，通过层堵塞实现软硬状态切换，并集成压阻式触觉传感器以提供组织与器械之间的力反馈信息，从而降低组织损伤风险并提高手术安全性。
在系统设计与制造方面，研究分为折纸模块制造、牵开器设计组装和传感器制造三个主要部分。折纸模块采用Daler–Rowney Canford纸（38克每平方米，gsm）和1000目砂纸（sandpaper）两种材料制作。首先将纸张裁剪为直径16厘米的半圆形，在半圆内划分16个等角，并制作山折（mountain fold）和谷折（valley fold）。将11条具有锯齿形（zigzag）特征的纸条重叠并用线缝合固定，形成类似中国折扇的结构，展开后半径约8厘米。锯齿结构在每条单元处形成48层重叠，五个条带单元连接后在每个连接处形成96层薄片重叠。整个折纸模块被封装在气密的聚乙烯袋中，并通过内径约0.3厘米的气动管连接真空泵。当施加负压时，层与层之间的摩擦力增大，结构刚度显著提高。层堵塞的阻力模型为F = μNδPpjw0lf，其中μ为层间摩擦系数，N为层数，δP为真空压差，pj为堵塞节距，w0和lf分别为初始宽度和最终长度。
牵开器的机械系统由SolidWorks设计并用Lulzbot TAZ 5三维打印机以聚乳酸（PLA）材料打印。该系统通过一个螺柱螺钉（stud screw）实现手动驱动，两个折纸模块作为“翼”分别固定在可动端和固定端，通过旋转螺钉可以张开或闭合，从而牵开手术切口边缘。牵开器翼部在负压作用下可保持刚性，以支撑组织并提供清晰的手术视野。
触觉传感器为压阻式（piezoresistive）结构，由三层组成：中间层为可拉伸的压阻织物（LTT-SLPA，Eeonyx），由28%弹性纤维和72%尼龙构成，表面涂覆掺杂聚吡咯（doped polypyrrole），初始未压缩状态电阻在兆欧量级，受压后降至数千欧；上下两层为柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上喷墨印刷银导电油墨（silver conductive ink，AgIC公司）形成的导电层。传感元件由上下导电层重叠区域和中间压阻层构成。整个传感器外层包覆Ecoflex（00-30，Smooth-On）硅胶，并附加了0.2厘米厚的琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶（agar/PAM double-network hydrogel）涂层以保证生物相容性和可拉伸性。传感器数据通过Arduino控制器采集，利用分压电路将电阻变化转化为电压变化，再经USB传输至计算机。
在实验测试方面，研究进行了载荷测试、三点弯曲测试和传感器标定测试。载荷测试中将2牛和5牛的砝码放置在折纸模块上，观察层堵塞激活和未激活状态下的承载能力。结果显示，38 gsm Canford纸在96层重叠情况下需要约−25千帕的负压才能承受7牛载荷，而1000目砂纸在仅12层重叠的情况下仅需约−22千帕即可承受相同载荷，表明砂纸具有更高的摩擦系数和更优异的层堵塞性能。
三点弯曲测试使用Instron 3345万能试验机进行。在−13千帕恒定负压下，激活层堵塞的砂纸结构所需弯曲力比未激活状态高约350%，显示出极宽的刚度调节范围。与38 gsm纸相比，激活后的砂纸结构所需弯曲力低30牛，但刚度可调范围更大。这表明砂纸在轻量化和避免组织损伤方面更具优势。
传感器标定测试同样使用Instron万能试验机，以2.5毫米/分钟的压缩速率施加递增载荷。传感器输出电压与外力呈线性关系，标定方程为y = 0.0084x + 3.202，其中x为传感器输出（毫伏），y为压缩力（牛），线性拟合决定系数R²为0.9485。与商用OptoForce三维传感器（OMD-30-SE-100N）对比，自制传感器在0–30牛范围内的测量误差小于满量程的6%。灵敏度达到0.833牛⁻¹。重复性测试显示在0–10牛范围内输出偏差较低。动态测试中不同压缩速率下的输出偏差小于总输出电压的2%。持续施加5牛载荷6小时后的漂移百分比小于等于2%。
在建模与工作空间分析中，研究者将每个折纸单元抽象为由两个铰接刚性梁组成的三角形柱体，在负压作用下每个微孔近似为压缩弹簧模型。通过拉普拉斯力定律和抛物线近似，推导了输出阻塞力的解析表达式Fout = 2Tx + Fp，其中Tx为水平张力分量，Fp为真空压力产生的推力。该模型可用于预测折纸模块在牵开过程中的受力情况。
在尸体实验中，研究团队在耳后制造了L形切口，切口宽度4–5厘米，长度10厘米，深度约5–8厘米。将折纸牵开器插入切口后，通过旋转螺柱螺钉张开翼部。实验结果显示，使用38 gsm纸牵开器可使切口张开至6厘米，而使用砂纸牵开器可使切口张开超过9厘米，满足甲状腺切除术对手术视野的要求。触觉传感器记录了牵开器与组织之间的接触力，上侧平均力为1.64牛，下侧平均力为2.87牛，下侧最大力约为4牛。力曲线中的微小波动源于手动螺钉操作，通过电动驱动可以进一步平滑。解析模型与传感器数据吻合较好，验证了系统设计的合理性。
本研究的核心结论是：折纸层堵塞可变形手术牵开器在耳后机器人甲状腺切除术中具有应用可行性。砂纸基牵开器以更少的层数实现了比38 gsm纸基牵开器更优的牵开性能，能够将切口张开至9厘米以上。层堵塞机制提供了一种经济有效的刚度调节方式，使器械在柔软与刚性状态之间切换，从而降低组织损伤风险。集成触觉传感器能够实时监测牵开力，为外科医生提供力反馈信息，避免过度施力。
本研究的亮点包括：首次将折纸层堵塞机制应用于手术牵开器设计，实现了可变刚度与可展开结构的结合；通过对比38 gsm纸和砂纸，揭示了材料摩擦系数对层堵塞性能的关键影响；开发了喷墨印刷银导电油墨与压阻织物结合的柔性触觉传感器，具有高灵敏度和良好生物相容性；通过尸体实验验证了系统在真实解剖环境中的使用效果。此外，研究还建立了简化的力学模型，用于预测折纸模块的输出力，为后续优化设计提供了理论工具。未来工作将致力于实现完全功能化的实时在体（in vivo）应用，以及通过形状自适应提供多尺寸和多功能的牵开器。