柔性医疗机器人的临床转化：从诊断、治疗到康复的技术前沿

作者及机构
本文由Guanghai Fei（东南大学中大医院临床医学研究中心/国家医工结合教育平台）、Shuaizhong Zhang（燕山大学机械工程学院）、Yue Li（东南大学）、Miao Peng（中国科学院上海微系统与信息技术研究所2020 X-Lab）等来自中国、新加坡、澳大利亚多所高校及研究机构的学者共同完成，通讯作者包括东南大学的Fei Guanghai、新加坡南洋理工大学的Zhou Kun以及中国科学院上海微系统所的Tu Min。论文于2025年4月发表于《Materials Science & Engineering R》（影响因子未标注），标题为《Emerging soft medical robots for clinical translations from diagnosis through therapy to rehabilitation》。

主题与背景
本文是一篇系统性综述，聚焦柔性材料与机器人技术在医疗领域的转化应用。传统刚性医疗机器人存在组织损伤风险，而柔性机器人凭借与生物组织相近的弹性模量（Young’s modulus，102–109 Pa）、高自由度变形能力和生物相容性，正在重塑诊断、手术干预、药物递送及康复治疗的技术范式。文章梳理了过去二十年（2005–2024）该领域的学术论文与专利数据，指出柔性医疗机器人的研究数量从每年20篇激增至近600篇，临床应用覆盖微创手术（Minimally Invasive Surgery, MIS）、靶向给药、植入式电子设备等场景。

核心观点与论据

1. 柔性材料的关键作用
柔性医疗机器人的性能核心在于材料选择。文中对比了四类材料：
- 聚合物：如水凝胶（hydrogels）、形状记忆聚合物（Shape Memory Polymers, SMPs）和弹性体（elastomers），其弹性模量（103–108 Pa）接近软组织，适用于可穿戴传感器和动态植入物。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）通过激光热解技术（Successive Laser Pyrolysis, SLP）可实现1小时内快速成型。
- 金属与陶瓷：液态金属（Liquid Metals, LMs）和形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMAs）虽硬度较高（105–1010 Pa），但通过复合设计可用于血管支架（如镍钛合金）和骨修复（如羟基磷灰石）。
- 生物杂交系统：结合细菌或运动细胞的生物混合机器人（biohybrid robots）能响应化学趋化性，实现精准药物递送。

支持数据：图3对比了不同材料的弹性模量范围，表1总结了各类材料的生物相容性与应用局限。

2. 驱动机制的创新
柔性机器人的运动依赖物理、化学及混合驱动机制：
- 物理驱动：包括流体驱动（如气囊导管）、磁驱动（如磁性纳米颗粒引导）和光热驱动（如偶氮苯聚合物紫外响应）。磁驱动因组织穿透性和无创控制优势，在血管导航中表现突出（图4d）。
- 化学驱动：pH响应性水凝胶在肠道靶向释药中可通过离子强度（Ionic Strength, IS）触发变形。
- 混合驱动：例如，液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）与磁性弹性体的双材料结构，能同时响应磁场与温度（80°C以上螺旋变形）。

案例：Sitti团队开发的细菌-磁性纳米混合机器人（图4k），通过pH和近红外光控释抗癌药物，在动物模型中实现肿瘤靶向治疗。

3. 先进制造技术
制造工艺决定机器人的功能复杂性：
- 传统技术：软光刻（soft lithography）精度达纳米级，但量产困难；激光加工（laser machining）可实现10 μm分辨率，但存在热影响区问题。
- 3D打印：光固化技术（如立体光刻，Stereolithography）支持多材料打印，如导电聚合物PEDOT:PSS与水凝胶的复合电极（图5d）。
- 混合工艺：例如“Octobot”通过光刻、模铸与嵌入式打印结合，集成微流体电路与弹性体驱动层（图5j）。

数据支撑：图5展示了12种制造技术的对比，强调多材料打印和激光加工在复杂结构中的优势。

4. 临床转化应用
- 诊断领域：可穿戴超声贴片（图6a）实现连续脑血流监测；胶囊内镜（图7a）通过葡萄糖生物燃料电池自供电，实时监测肠道代谢物。
- 手术干预：蛇形连续体机器人（图8d）模仿生物结构，在胃镜手术中实现多自由度弯曲；磁控软体导管（图9b）可导航至脑动脉瘤进行栓塞治疗。
- 康复辅助：柔性假肢通过PEDOT:PSS电极捕捉肌电信号，动态适配患者运动意图（图2-8）。

专利趋势：2005–2016年相关专利从2000件增至近万件，2016年后回落，反映技术从爆发期转入优化阶段。

意义与价值
本文的价值体现在三方面：
1. 学术价值：首次系统整合柔性机器人在材料、驱动、制造到临床的全链条技术，提出“生物兼容性-功能可编程性-临床适配性”的设计框架。
2. 产业价值：为DA Vinci手术机器人等现有系统的柔性化升级提供路径，例如磁控微凝胶（图9c）可替代传统血管栓塞剂。
3. 社会价值：推动个性化医疗，如膀胱辅助机器人（图11b）改善神经源性排尿障碍患者的生活质量。

亮点总结
- 跨学科整合：融合材料科学、机器人学与临床医学，例如生物杂交机器人结合合成生物学与纳米技术。
- 技术前瞻性：声学体积打印（acoustic volumetric printing）实现活体组织内直接制造（图5h），突破传统植入物尺寸限制。
- 临床需求导向：针对微创手术的精度瓶颈（如50 μm路径误差，图8a），提出仿生设计与多模态驱动解决方案。

本文为柔性医疗机器人的研究与转化提供了全景式技术路线图，其核心观点被引用于后续讨论生物降解性、长期安全性等挑战的解决方案中。