本文属于类型a，即单一原创研究的学术报告。以下为该研究的详细报告：
本研究由Hritwick Banerjee、Oh Yao Wei Aaron、Bok Seng Yeow及Hongliang Ren等人共同完成，其中前两位作者为共同第一作者（†标注），通讯作者为Hongliang Ren（任洪亮）博士。研究团队来自新加坡国立大学（National University of Singapore）生物医学工程系，通讯作者同时隶属于新加坡神经技术研究所（SINAPSE）及新加坡国立大学苏州研究院（NUSRI）。该论文发表于2018年第三届先进机器人与机电一体化国际会议（2018 3rd International Conference on Advanced Robotics and Mechatronics, ICARM），由IEEE出版，页码为630至635页。研究资助来源包括美国海军研究办公室全球计划（ONRG-NICOP-N62909-15-1-2029）、新加坡学术研究基金（R-397-000-227-112）以及中国江苏省基金项目（BK20150386、BE2016077）。
该研究的学术背景属于软体机器人（soft robotics）与生物医学工程交叉领域。临床动机来自经口机器人手术（Transoral Robotic Surgery, TORS）中对更安全的人机交互需求。传统手术器械通常为刚性、分段且多由腱驱动（tendon driven），虽然机器人辅助微创手术（Minimally Invasive Surgery, MIS）已显示出改善患者恢复和减少疤痕的优势，但在狭窄操作空间中的组织交互安全性仍面临挑战。为此，研究团队提出采用软材料与形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）驱动相结合的技术路线，旨在开发一种具有生物相容性的软体机器人平台，以实现更安全的组织接触与双向弯曲导航。该研究宣称展示了世界上首个基于镍钛合金（Nitinol）驱动的生物相容性水凝胶（hydrogel）双向弯曲软体机器人原型。其核心目标是为TORS等经口导航与监测场景提供可控的弯曲驱动能力，同时通过水凝胶基体实现热管理与组织友好交互。
在材料与方法部分，研究流程可细分为水凝胶制备、形状设定（shape setting）、组件装配和尸体实验四个主要环节。第一部分为水凝胶制备。研究采用的是以海藻酸钠（sodium alginate）和丙烯酰胺（acrylamide）为基础的双网络（double-network）水凝胶体系。海藻酸钠通过离子交联形成网络，丙烯酰胺则通过共价交联形成另一网络。具体配方中，去离子水占75.3%（wt%），丙烯酰胺占22.6%，海藻酸钠占1.5%，光引发剂（photoinitiator）占0.53%，N,N-亚甲基双丙烯酰胺（N,N-methylenebis acrylamide, MBA）作为交联剂浓度为0.020%。制备流程为“一锅法”（one-pot fabrication method）：分别配制两种前驱体溶液并各自在90°C下加热30分钟，随后将两者混合均匀后再于90°C加热30分钟，冷却后注入模具进行紫外光（UV）固化2小时，固化后静置24小时再脱模使用。研究团队此前曾尝试琼脂糖（agarose）与丙烯酰胺体系以及明胶（gelatin）与海藻酸钠体系，前者虽力学性能充足但保水性差且需较长静置时间，后者则过软而无法支撑SMA驱动，最终确定现有配方。此外，研究中将MBA浓度从0.022%降低至0.020%，以降低交联密度、获得更柔软的水凝胶基体，从而提升弯曲角度。
第二部分为镍钛合金丝的形状设定。研究采用长度为8 cm的镍钛丝，在中点处对折形成U形结构，使丝的两段各长4 cm，以最大化与水凝胶的接触面积。铜丝（半径150 μm，长8 cm）作为连接导线缠绕在镍钛丝端部以进行通电加热。形状设定前先以1.0 A电流将镍钛丝拉直，然后将其置于专门设计的模具中，在300°C（通过2.0 A直流电实现）下重复曝光5次，每次4到5秒。该模具确保弯曲半径与曲率的一致性。
第三部分为装配。为容纳两根镍钛丝实现双向运动，研究中设计并打印了一个附加锚定件（anchor），如图6所示。该锚定件具有内凹关节（invaginated joint）结构，可降低该轴处的截面二次矩（second moment of area），使弯曲行为类似铰接关节（pin-jointed actuation）。锚定件上还设有孔洞，用于插入并固定两根SMA丝（分别标记为(SMA)a和(SMA)b），以保证水凝胶固化过程中的对准与稳定性。铜丝在固化前被暂时固定，以防止移动并防止水凝胶泄漏。模具喷洒脱模剂以便固化后脱模，顶部覆盖PVC片材防止水分蒸发，随后在紫外固化箱中固化2小时。
第四部分为尸体准备与初步试验。研究团队与新加坡国立大学医院（National University Hospital）耳鼻喉科及Khoo Teck Puat高级手术训练中心合作，在人类尸体口腔中进行了初步经口进入测试。由于尸体组织较活体存在塑化现象，实验预期会有一定阻力。当前原型尺寸尚未小型化，因此在尸体口腔内的偏转能力受到空间限制，但实验仍展示了原型能够进入口腔前部区域，并观察到了轻微的双向弯曲。
在结果与讨论部分，研究首先优化了水凝胶组成。通过将MBA浓度降低10%，水凝胶变软，从而获得更大的弯曲角度。图1展示了两种浓度下的最大弯曲角度差异。其次，研究比较了单向（uni-directional）与双向（bi-directional）设计。单向设计中仅使用一组SMA丝，可实现单方向弯曲，但其恢复至初始状态的速度较慢，甚至出现无法完全恢复的情况。因此，团队提出双向SMA设计，通过两根镍钛丝分别驱动两个方向的弯曲，不仅实现了双向运动，还显著加快了恢复速度。运动追踪采用基于开源物理Java框架的免费视频分析软件Tracker进行自动角度测量。通过点质量（point mass）工具和量角器工具采集两个角度a和b，再依据公式c = 180° − [180° − (a − i) − (b − i)]计算弯曲角c，其中i为初始角度。实验结果显示，原型最大弯曲角达到45.5°，完全驱动耗时9秒；在第二根镍钛丝辅助下，水凝胶从完全驱动状态恢复至原始位置仅需4秒。图8详细记录了双向驱动过程中角度随时间的变化曲线，分别对应(SMA)a开启、(SMA)b关闭以及反向驱动的状态。
尸体实验部分，图9展示了内镜视角下的原型进入口腔前部的情况。由于原型体积较大，仅能进入前部区域，且偏转幅度微小。为便于识别偏转，研究在标记上添加了指示线，白色线表示预驱动状态，绿色线表示驱动后的弯曲状态。尽管尸体内的偏转有限，但在体外自由空间中已达到45.5°的偏转能力，说明若将原型尺寸缩小，有望在真实组织环境中实现相似的驱动性能。
本研究的结论指出，团队成功制备并实现了一种基于双网络生物相容性水凝胶与镍钛SMA的双向弯曲软体机器人原型。其最大偏转角为45.5°，恢复时间为4秒，并在人类尸体口腔中完成了初步经口试验。该双向弯曲结果表明，基于SMA的下一代智能驱动方案在制造生物相容性软体手术导航机器人方面具有巨大潜力。该原型为软体内窥镜机器人开辟了新的研究方向。未来工作将集中于将原型小型化，使其能够更深入口腔并进一步优化偏转角度，以提升导航与控制性能。
本研究的主要亮点在于：首次报道了具有双向弯曲能力的SMA驱动生物相容性水凝胶软体机器人平台；采用双网络水凝胶（海藻酸钠-丙烯酰胺）有效解决了SMA驱动过程中的热管理问题，利用水基体的高比热容进行散热；通过锚定件设计实现了两根SMA丝的集成与双向运动控制；并通过降低MBA交联剂浓度来调节水凝胶的力学性能以优化弯曲角；同时，初步尸体实验为未来临床应用提供了现实依据与限制认知。
此外，该研究还展示了软体机器人在经口手术中的应用前景，强调水凝胶基体不仅具备生物相容性，还可根据临床需求通过调整组成来定制力学性能。未来若能将尺寸进一步缩小，并优化SMA的布局及驱动策略，该技术有望用于更深部的经口导航、内窥镜辅助手术及微创环境中的组织监测与操作。