本文发表于 *Cyborg and Bionic Systems*，题为 “Development of a Bioinspired Soft Robotic System for Teleoperated Endoscopic Surgery”，作者为 Kefan Zhu、Chi Cong Nguyen、Bibhu Sharma、Phuoc Thien Phan、Trung Thien Hoang、James Davies、Adrienne Ji、Emanuele Nicotra、Jingjing Wan、Patrick Pruscino、Sumeet Walia、Tat Thang Vo-Doan、Soo Jay Phee、Shing Wong、Nigel H. Lovell 和 Thanh Nho Do。该研究主要由新南威尔士大学（UNSW）生物医学工程研究生院牵头，联合皇家墨尔本理工大学（RMIT）、昆士兰大学、南洋理工大学、新南威尔士大学临床医学院及威尔士亲王医院、Tyree 健康工程研究所（IHealthE）等机构共同完成。研究发表于 2025 年 6 月 12 日，文献标识为 2025;6:article 0289，数字对象唯一标识符（DOI）为 10.34133/cbsystems.0289。

该研究的学术背景属于软体机器人、微创手术机器人与内镜外科交叉领域。内镜黏膜下剥离术（Endoscopic Submucosal Dissection，ESD）已成为切除早期胃肠道肿瘤的重要手段，尤其适用于结直肠癌（Colorectal Cancer，CRC）的早期病变处理。ESD 作为经自然腔道内镜手术（Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery，NOTES）中最常见的术式之一，其主要优点在于避免腹壁切口，从而减少切口相关并发症并进一步实现微创化。然而，现有 ESD 机器人系统多采用缆线驱动（cable-driven）方式，在通过结肠等长而弯曲的路径时，摩擦、迟滞（hysteresis）和非线性力传递误差会显著降低控制精度。此外，依赖直流电机（DC motors）、微控制器和泵的设计使系统体积较大、成本较高，不利于日常临床推广。相较之下，液压驱动（hydraulic actuation）由于液体不可压缩性，具有更平稳的运动、更高的位置控制精度、更快的响应以及更高的能量转换效率。已有研究表明，在 3.4 bar 压力下，液压人工肌肉的能量转换效率为 53.3%，显著高于气动驱动的 19.1%。该研究的核心目标是开发一种无电机、主从式液压驱动软体机器人系统，用于 ESD 手术中的组织抓取、抬起与电外科切割，从而克服现有系统在可达性、灵巧性和精准性方面的局限。

研究的工作流程主要包括系统设计、建模、性能表征、体外实验和离体实验五个阶段。系统由两套器械组成：一套为三自由度软体切割臂（Soft Cutting Arm，SCA），末端为直径 0.3 mm 的金属电凝刀头；另一套为三爪遥操作软体抓钳系统（Teleoperated Soft Grasper System，TSGS）。两根器械均连接至 1600 mm 长的液压传输管，并由一个无电力的 Delta 结构主操作器驱动。Delta 主操作器包含三个注射器作为液压压力源，其末端具备四个自由度（三个用于机械臂运动映射，一个用于抓钳开合）。该主操作器采用磁性球关节与平行四边形连杆机构，结合三个苏格兰轭（Scotch yoke）机构提供 1.45 倍力比，以降低操作者负担。抓钳的设计受水蛭前吸盘启蛰，三爪呈 Y 形均匀分布，间隔 120°，爪尖齿状结构内倾并隐藏于爪内。抓钳的运动由螺旋缠绕在三爪周围的软管状液压人工肌肉驱动，通过均匀压缩实现闭合；打开则依靠三条预拉伸弹性带形成的被动回复结构。研究者建立了抓钳开口面积与人工肌肉长度之间的解析模型，将肌肉长度按节段分解为若干段，利用三角函数关系推导肌肉长度与开口角度、基部半径之间的几何关系，并通过拟合压力与位移的经验方程，建立压力与开口面积之间的预测模型。实验验证中，使用一个正弦压力输入（峰峰值 0.58 MPa，频率 0.5 Hz）驱动抓钳，并用 Nikon D7500 相机捕捉顶端红色标记的运动。基于 MATLAB 中 RGB 掩膜提取三爪质心，进而计算开口面积。此外，机械臂工作空间表征采用电磁跟踪系统（Trak STAR，Tracklab – Freedspace Ltd., Canada），在机械臂末端安装六自由度电磁传感器，分别测试 0.2、0.4 和 0.6 MPa 初始压力下的伸长、弯曲和旋转运动。收缩力测试使用 Futek 微型力传感器和 Quanser QPIDe 数据采集装置，由 Zaber 线性滑台驱动三个注射器同时加压至 0.6 MPa 后卸压，重复 8 次。路径跟踪实验由操作者通过主操作器驱动机械臂，沿屏幕上预定义的矩形和圆形轨迹运动，每个轨迹重复 3 次并记录偏差。响应时间实验测量主端施加力到从端检测到力的延迟，进行 11 次重复。耐久性实验使机械臂以约 0.2 Hz 的频率连续运行超过 40 分钟，评估 y 轴方向位移偏移。

研究结果显示，抓钳开口面积在 0.5 MPa 压力下由初始的 12.5 mm² 增加至 31.2 mm²，扩张倍数为 2.5 倍。开口面积的变化在 0.15 MPa 以上才明显出现，原因归结为传输管或硅胶管中残余气泡导致压力传递延迟。压力与肌肉位移的拟合方程为 y = −40.38x² + 63.8x − 0.77，回归系数 R² 为 0.998。将位移-压力模型代入开口面积解析模型后，模型预测与实验数据的 R² 为 0.947，验证了几何-力学耦合模型的准确性。机械臂在 0.2、0.4 和 0.6 MPa 初始压力下可伸长至 70 mm（100% 伸长率），并实现 40 mm 直径的旋转轨迹，表明其工作空间适用于 ESD。收缩力测试显示，在 0.52 MPa 压降下最大收缩力为 3.88 N，高于 ESD 组织操作所需的 2.26 N 阈值。压力增加与卸压过程中的力-压力曲线存在非线性迟滞，这主要由于弹性体人工肌肉的粘弹性特性导致粘性能量耗散不可恢复。路径跟踪结果显示，矩形路径平均跟踪误差为 0.1889 mm，圆形路径误差在正视图和俯视图分别为 0.2083 mm 和 0.1899 mm。系统平均响应时间为 0.0895 s，标准差 0.0227 s，低于约 150 ms 的安全延迟估计。耐久性实验中 y 轴位移偏移仅为 0.9%。体外实验使用双层 Ecoflex 00-10 硅胶模拟结肠黏膜层和黏膜下层，以 Dragon Skin 10 制作直径 20 mm、高度 6.8 mm 的侧向扩散肿瘤模型，并用 Sil-Poxy 粘接。操作者单手操作主设备，将抓钳引导至肿瘤模型并完成抓取、抬起和释放过程，染色液体在黏膜层抬起时向中心汇聚，模拟了 ESD 中的抬起操作。离体实验使用猪大肠，将两个外径 40 mm 的 3D 打印模型插入肠内以扩展工作空间，并在黏膜下层作小切口植入硅胶片模拟目标组织。抓钳成功完成引导、抓取和抬起步骤。另一离体实验将抓钳与切割臂安装于双通道定制支架中，抓钳位于切割臂上方。抓钳先抓取并提起目标组织，随后电外科切割臂切除组织并同时封闭周围区域，完成病变切除。

该研究的结论是，所提出的 TSGS 是一种适用于 ESD 的液压驱动软体机器人系统，通过压力传输原理实现遥操作，克服了缆线驱动系统的非线性摩擦、迟滞和体积问题。三爪抓钳受水蛭前吸盘启蛰，能够实现均匀力分布和自定心功能，消除旋转调节需求。Delta 结构主操作器提供了精确的无电子控制。系统最大收缩力为 3.88 N，高于 2.26 N 组织操作阈值，路径跟踪精度达到亚毫米级（约 <0.2 mm）。与 FPCW、RMIS、STRAS、K-FLEX 和 Lau 等人的系统相比，TSGS 在提升力方面优于多数系统，同时保持 5.5 mm 的紧凑直径，能够到达结肠任意位置，包括回盲瓣。其科学价值在于将液压驱动与仿生三爪机构结合，建立了从软体肌肉力学到抓钳开口面积的预测模型，为软体手术器械设计提供了可推广的分析方法。应用价值在于该系统无需电机和微电子控制器，结构更简洁、成本更低，且具备改造为其他 NOTES 手术器械的潜力，如经鼻内镜手术和经尿道膀胱肿瘤切除术。

研究的亮点包括：第一，提出了一种完全由液压驱动的无电机主从式软体手术机器人系统，避免了直流电机和微控制器带来的体积与复杂度问题；第二，设计了一种受水蛭启蛰的三爪软体抓钳，利用螺旋缠绕的人工肌肉实现均匀闭合，具备自定心与均匀加载能力；第三，建立了抓钳开口面积与压力之间的解析-经验耦合模型，并获得了较高预测精度；第四，在体外和离体猪肠道模型中验证了抓取、抬起和电外科切割的可行性，表明系统具有实际 ESD 应用前景。其不足之处在于当前研究中组织抓取与切割仍采用分步验证，尚未在同一平台内实现完全同步的两臂协同操作。此外，系统尚未集成力反馈或触觉反馈，操作者在精细操作时缺乏直接力觉感知。未来工作将聚焦于集成触觉反馈、引入先进图像处理技术以增强视觉反馈并减少呼吸或肌肉颤动引起的非自主运动，以及进一步缩小器械尺寸以适应更多自然腔道。