本文为一项原创性研究（类型a），以下为针对该研究的学术报告。

本研究由新加坡国立大学生物医学工程系及新加坡神经技术研究所的Jin-Huat Low、Ignacio Delgado-Martinez与Chen-Hua Yeow共同完成，发表于ASME主办的*Journal of Medical Devices*期刊2014年12月第8卷第4期，文章编号044504，数字对象标识符（doi）为10.¹¹¹⁵⁄₁.4027688。研究团队长期关注软体机器人、手术器械与神经修复相关技术，Yeow为通讯作者。

在学术背景方面，该研究属于软体机器人学（soft robotics）、医疗器械设计与微创手术操作器械的交叉领域。传统外科手术中广泛使用的硬质组织抓钳（如镊子、腹腔镜抓钳）在夹持柔软脆弱组织时，会在组织局部产生高应力集中区域，导致组织创伤、炎症、出血甚至细胞凋亡或坏死，进而可能形成病理性瘢痕组织，影响术后恢复。在神经吻合等精细手术中，医生必须依靠长期训练与经验控制夹持力以避免神经损伤，这种高要求的操作容易引起术者疲劳。近年来，软体机器人因结构简单、控制容易、运动柔顺而受到关注。其常见制造方法为软光刻（soft lithography）技术，即通过计算机辅助设计与三维打印制作带有气动网络（pneumatic network）的模具，将硅橡胶等弹性体浇注固化形成负形结构，再与不可拉伸层（如聚二甲基硅氧烷，PDMS）密封形成软体致动器。该研究的目的是开发可定制的软体气动腔体—夹爪装置，通过柔顺夹持替代传统硬质手术夹持器械，从而降低精细组织操作中的创伤风险。

在工作流程方面，该研究主要包含器械设计制造与力学性能评价两个阶段。第一阶段为软体气动腔体—夹爪装置的制造。研究者对传统软光刻技术进行了改良，提出基于导线的无特征夹爪模具加工方法，结合腔体模具制造出带有微型气动通道的夹爪与可压缩气腔结构。模具使用SolidWorks软件设计，并以丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS塑料）通过Stratasys三维打印机加工。气动通道被设计在夹爪臂靠近外侧壁的位置，其中心至外侧壁与至内侧壁的距离比例为3:5；外侧壁较薄、内侧壁较厚，因此在气压作用下薄壁更容易膨胀，从而驱动夹爪臂向内弯曲。制造时将导线插入模具内，浇注Ecoflex 00-30弹性体，烘烤20分钟固化后脱模。腔体部分则用一层2.5毫米厚的半固化Ecoflex层与夹爪结构结合密封，再于60摄氏度下烘烤1小时完成完全固化。研究制造了三种不同构型的腔体—夹爪装置，分别为双臂型（double-arm，两个臂均可致动）、单臂型（single-arm，一个致动臂和一个非致动支撑臂）和钩型（hook，仅一个致动臂）。非致动臂宽度为1.5毫米，致动臂宽度为3毫米至5毫米。此外，研究者设计了一种带活塞机构的三维打印手柄工具，腔体—夹爪装置可插入其中，通过活塞压缩腔体实现夹持动作，并可根据需要更换不同夹爪。第二阶段为力学性能评估。实验对象包括上述三种腔体—夹爪装置、表面涂覆Ecoflex的镊子（涂覆层宽度和厚度与双臂软夹爪夹持面相同）以及未涂覆镊子。用于夹持测试的试样为两种尼龙（nylon）材料，其杨氏模量分别为23.9兆帕（nylon 1）和0.14兆帕（nylon 2），覆盖了牙周膜（0.12兆帕）、外周神经（0.45兆帕）和人膝关节软骨（5.6兆帕至15.4兆帕）等典型软组织的模量范围。拉伸力测试使用Instron 3345材料试验机进行，分为横向拉脱测试和轴向拉脱测试。横向测试时，尼龙试样垂直夹紧并施加1牛预载，夹爪水平向外拉试样；轴向测试时，尼龙试样被夹成U形，夹爪竖直向下拉试样。压缩力测试则使用校准的电阻式传感器（Interlink Electronics）测量各夹持器闭合时施加的最大夹持压缩力，其中镊子在两颚闭合时记录数据。

研究结果显示，装置的整体制造时间在2小时以内。通过手柄压缩腔体后，气体进入气动通道并使之向外壁膨胀，夹爪臂弯曲形成闭合状态；释放活塞后夹爪恢复张开。软体腔体—夹爪装置能够夹起直径最大为2毫米的物体。在横向拉脱测试中，nylon 1条件下单臂型、双臂型和钩型装置产生的最大拉伸力分别为0.26±0.03牛、0.22±0.05牛和0.33±0.03牛，而Ecoflex涂覆镊子为1.21±0.36牛、未涂覆镊子为2.12±0.24牛；nylon 2条件下三种软体装置分别为0.05±0.02牛、0.10±0.02牛和0.05±0.02牛，Ecoflex涂覆镊子为0.43±0.09牛、未涂覆镊子为0.47±0.11牛。在轴向拉脱测试中，nylon 1条件下三种软体装置最大拉伸力分别为0.09±0.02牛、0.14±0.03牛和0.28±0.03牛，两种镊子分别为0.77±0.19牛和1.32±0.21牛；nylon 2条件下三种软体装置分别为0.13±0.01牛、0.20±0.01牛和0.47±0.02牛，两种镊子分别为1.14±0.24牛和1.91±0.44牛。最大夹持压缩力方面，单臂型和双臂型装置分别为0.26±0.09牛和0.88±0.09牛，Ecoflex涂覆镊子为1.75±0.15牛，未涂覆镊子为2.73±0.21牛。这些结果表明，在所有测试条件下，软体腔体—夹爪装置产生的拉伸力与压缩力均显著低于传统镊子，其中双臂型的夹持压缩力是单臂型的两倍以上；钩型装置主要表现出类似神经拉钩的牵拉功能，夹持压缩力很小。单臂型在多数拉脱测试中较低拉伸力下即发生滑脱，提示夹持力与压缩力之间存在权衡关系。

从逻辑上看，第一阶段的制造成功使得第二阶段力学对比测试得以进行。力学测试结果进一步为装置的临床应用潜力提供了定量依据。研究结论认为，该软体气动腔体—夹爪装置能够通过简单的腔体压缩实现柔顺夹持，并且对夹持对象施加的拉伸力和压缩力远低于传统硬质镊子，因而显著降低组织损伤风险。双臂型与单臂型装置具备在精细组织操作中替代传统硬质夹持器械的潜力，尤其适用于外周神经修复等对组织保护要求高的手术场景。该研究还展示了装置设计的高度可定制性：夹爪臂数量可根据需要调整，且至少有一个臂需包含气动通道作为致动臂，其余臂可作为支撑臂；手柄工具可替换不同夹爪以适应不同手术需求；装置整体由弹性体材料制成，因此可用于磁共振成像环境；未来可利用手术机器人臂的线性致动器代替手动活塞进行远程夹持操作。该研究的学术价值在于提出了基于带腔体—气动通道的简单软体夹持设计与改良制造方法，实现了夹持力的显著降低与柔顺操作；应用价值在于为神经吻合等精细手术提供了一种低损伤、可定制、易更换的软体夹持器械原型，并为后续带有触觉传感器的智能软体手术器械研究提供了基础。

该研究的亮点包括：第一，提出并实现了无外部气泵的腔体—夹爪一体化设计，仅通过机械压缩腔体即可产生夹持动作，控制简单；第二，在制造方法上采用导线嵌入方式加工细径气动通道，降低了传统软光刻密封过程中通道堵塞的风险，提高了微型化制造的可靠性；第三，建立了覆盖典型软组织模量范围的尼龙试样力学评价体系，系统比较了不同构型软体夹爪与传统镊子在横向、轴向和压缩力方面的差异，为软体手术夹持器的力安全性评价提供了参照。该研究的局限主要是夹爪体积仍大于传统镊子，未来需要进一步缩小外形尺寸；同时缺乏真实神经组织的夹持实验与组织学评估，仍有必要进行临床前动物组织试验以验证其降低组织创伤的实际效果。