本文属于类型a，即一项原创研究报告。以下是对该研究的学术报告：
本文的研究由意大利那不勒斯费德里科二世大学（University of Naples Federico II）ICAROS中心（Interdepartmental Center for Advances in Robotic Surgery）的Huan Liu、Mario Selvaggio、Pasquale Ferrentino、Rocco Moccia、Umberto Bracale和Fanny Ficuciello，以及坎帕尼亚大学“Luigi Vanvitelli”的Salvatore Pirozzi共同完成。通讯作者为Huan Liu。该研究发表于《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》第26卷第1期，2021年2月出版，文章标题为“The MUSHA Hand II: A Multifunctional Hand for Robot-Assisted Laparoscopic Surgery”。
从学术背景来看，该研究属于手术机器人领域，具体聚焦于机器人辅助腹腔镜手术（robot-assisted laparoscopic surgery）中的末端执行器设计。尽管机器人手术系统在可视化、手眼协调和减少患者住院时间方面取得了显著进展，但现有的手术系统末端夹持器仍普遍沿用传统双颚钳（two-jawed forceps）设计，功能单一且缺乏力觉传感。在肝脏牵开、肠道游离等手术操作中，传统双颚钳只能以较小的接触面积施加压力，易导致组织损伤和器械滑移，且外科医生仅依赖视觉反馈判断接触力大小。手辅助腹腔镜手术（hand-assisted laparoscopic surgery, HALS）虽然提供了手术医生所追求的灵巧性和触觉，但其需要70–80毫米的切口，带来术后疼痛和伤口并发症等问题。基于上述背景，本文旨在开发一种可通过小切口部署、具有力传感功能的多功能手术机械手，即MUSHA Hand II，以增强机器人手术系统的灵巧性和安全交互能力。
该研究的详细工作流程包括机械手整体设计、欠驱动手指设计与驱动策略、指尖力传感器设计与标定、控制系统软硬件实现以及实验验证五个主要环节。
在第一环节中，MUSHA Hand II被设计为一个由驱动单元、三根蛇形手指（snake-like fingers）和连接二者的直径12毫米管体组成的系统，总长350毫米，可直接安装于达芬奇研究套件（da Vinci Research Kit, dVRK）的患者侧机械臂（patient side manipulator, PSM）上。三根手指可折叠成直径12毫米的圆柱形，通过直径13毫米的穿刺器（trocar）进入腹腔后，可展开为抓取模式（grasper mode）、扇形牵开模式（fan retractor mode）和触诊模式（palpation mode）。整只手具有34个关节，但仅由6个驱动自由度（degrees of actuation, DOA）驱动，属于高度欠驱动（underactuated）设计。在驱动策略上，该研究利用dVRK原有的四个驱动接口分别控制整手绕轴旋转和三根手指远端段的屈曲/伸展，同时额外集成了两个Maxon直流电机（maxon DCX12S 12V，配GPX12HP 231:1减速箱和编码器），分别驱动手指1的近端段以及手指2和手指3的近端段。手指2和手指3的近端段肌腱被耦合连接，以简化驱动。每个手指的远端段由一对拮抗肌腱（antagonistic tendons）驱动，材料为直径0.4毫米的钢丝；近端段进一步分为p1和p2两个子段，p1子段由另一对拮抗肌腱驱动，p2子段通过耦合肌腱实现与p1子段相反方向的弯曲，从而使近端段最远端椎骨保持与手基座平行。每根手指中还插入两根直径0.4毫米的镍钛合金（Nitinol）棒，用于均匀分配肌腱驱动力。手指的每个关节弯曲范围被限制在−20°到+20°之间，使得手指在交互过程中呈现平滑曲线并具有顺应性（compliance）。
在力传感器设计与标定环节中，研究团队设计了集成于指尖的三轴力传感器。传感器尺寸为9.5毫米×8毫米×5毫米，采用基于光学元件和可变形材料的技术。具体而言，传感器由一块印刷电路板组件（printed circuit board assembly, PCBA）、四个光电反射器（photo reflectors，型号NJL5908AR，由NJR Corporation生产）和一个硅胶垫（silicone pad）构成。四个光电反射器以3.4毫米间距均匀布置在PCBA上，硅胶垫硬度为20 Shore-A，顶部曲率半径为6毫米，底部有四个容纳光电反射器的腔室，腔室壁为黑色以减少串扰（crosstalk），顶面为白色以增强红外光反射。当外力施加于硅胶垫时，垫发生变形，白色反射面与光电反射器之间的距离改变，导致反射光强度变化，从而改变光电反射器的电压输出。为避免光电反射器距离响应曲线中的非单调区，在PCBA和硅胶垫之间引入了一个3D打印的刚性栅格（rigid grid），防止反射面进入0.25毫米的非单调距离区间。传感器标定采用神经网络方法，通过ATI Nano 17力/力矩传感器作为参考传感器，采集约30000对力与电压数据，采样率为180 Hz。神经网络使用MATLAB神经网络工具箱构建，结构包含一个包含10个神经元的隐藏层和一个包含3个神经元的输出层，训练算法为Levenberg–Marquardt算法。标定结果显示，传感器在x、y、z方向的最大误差分别为0.28 N、0.24 N和0.75 N，平均误差分别为0.035 N、0.044 N和0.116 N。法线方向（z方向）的精度最高且量程约为4 N。标定精度受实际操纵物体的硬度和曲率与标定物体差异的影响，物体硬度或局部曲率半径若为传感器标定条件的4–5倍以上，则可近似视为刚性物体或平面。
在控制硬件与软件环节中，系统采用机器人操作系统（robot operating system, ROS）实现各软件模块间的消息传递和进程间通信。Maxon电机模块通过EPOS2 24⁄2 530239驱动器提供近端段位置控制接口；传感器模块运行于Arduino Mega，以标准ROS话题流式传输三根手指的三轴力数据；dVRK软件模块基于ROS封装MTM和PSM实时控制接口。研究团队开发了遥操作控制器，将MTM的三维笛卡尔位移映射为PSM前三关节的位置指令，将MTM第七关节角度映射为第四PSM执行器（控制整手旋转），将MTM夹持器开合角度映射为后三个PSM执行器（驱动三根手指远端段）。遥操作循环运行周期为5毫秒。
实验验证部分包括功能演示、触诊实验和动物器官操作实验三部分。在功能演示中，机械手成功抓取了橡胶长方体、塑料圆柱体和橡皮泥球三种不同材质、尺寸和形状的刚性物体。实验验证了无滑移抓取条件||f_t|| ≤ μ||f_n||（f_t和f_n分别为切向力和法向力，μ为摩擦系数）。在猪肝脏上进行的遥操作实验中，机械手分别完成了捏取抓取（pinch grasp）、包络抓取（prehensile grasp）和扇形牵开操作，接触力低于0.4 N时即可完成抓取和释放。在触诊实验中，机械手以触诊模式对含有两个3D打印刚性圆柱体（直径分别为8毫米和10毫米）的硅胶假体进行逐点按压。当按压正常区域时法向力为1.6 N；按压含8毫米刚性夹杂物区域时法向力升至2.43 N（上升51.9%）；按压含10毫米刚性夹杂物区域时法向力达到3.91 N（上升144.4%）。在动物器官操作实验中，由一位熟悉达芬奇系统的外科医生操作MUSHA Hand II完成了肝脏牵开和肠道游离。肝脏牵开时由Cadiere钳辅助将肝脏抬起约10毫米，MUSHA Hand II以牵开模式形成约40毫米宽的接触面完成牵开。估计的牵开力达到19.2 N，但指尖接触力保持在3.6 N以下，压力低于103 kPa，仅为Cadiere钳的约13.4%。肠道游离中，MUSHA Hand II在牵开模式下一次推动即可完成游离，在抓取模式下通过包络抓取实现肠道安全抬移。实验后两种器械均未造成组织损伤。
本研究的主要结论是：MUSHA Hand II作为一种微型多功能机械手，可有效增强机器人辅助腹腔镜手术系统的功能，克服现有手术机器人系统中力觉缺失的局限。该手的欠驱动蛇形手指设计提供了适应性和交互顺应性，指尖力传感器可用于触诊以获得器官实时刚度分布图。多功能性使得手术中无需更换器械即可完成抓取、牵开和触诊等多种任务。研究的科学价值在于提出并验证了一种欠驱动多指机械手与分布式力传感相结合的设计范式，为手术机器人末端执行器的功能扩展提供了新的技术路径。应用价值在于该手可直接兼容dVRK系统，并有望在肝脏牵开、肠道游离等临床任务中降低组织压力和损伤风险。此外，研究中采用的光学反射式力传感方法在微型化、低成本和可消毒性方面具有潜在优势。研究的亮点包括：高度欠驱动下的多模式切换设计、指尖三轴力传感器的集成与神经网络标定、以及真实动物器官上的外科医生参与评估。研究也指出了局限性，即MUSHA Hand II缺少腕部屈曲/伸展关节，导致在某些任务中定向灵巧性不足，例如肝脏牵开时需要针持器辅助。作者提出未来可通过增加腕部屈曲/伸展关节来提升灵巧性，并通过针对不同硬度物体分别训练神经网络或安装具有不同曲率和硬度的多种传感器来改进力标定精度。