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面向软体机器人的变刚度技术：STIFF-FLOP操作器的比较研究
一、研究作者、机构与发表信息
本研究由Niccolò Pagliarani、Luca Arleo、Stefano Albini及Matteo Cianchetti共同完成，四位作者均来自意大利比萨圣安娜高等研究院（Scuola Superiore Sant’Anna）的仿生机器人研究所（The BioRobotics Institute）及机器人与人工智能卓越系（Department of Excellence in Robotics & AI）。该论文发表于国际学术期刊《Actuators》2023年第12卷第3期，文章编号96，于2023年1月30日投稿，2月16日修订，2月21日接收，2月23日正式在线发表。
二、研究背景与目的
软体机器人（soft robotics）因其固有的柔顺性与安全性，在微创手术（minimally invasive surgery, MIS）等需要对柔软组织进行安全交互的场景中展现出显著优势。STIFF-FLOP操作器是早期提出的一种基于软材料的内窥镜工具概念，具有高灵活性和本质安全性，但其固有低刚度限制了其在需要施加较大力或保持稳定性的手术任务中的应用。如何在保持操作器灵活性（dexterity）的同时实现刚度可调（variable stiffness, VS），是该领域长期面临的核心挑战。
在现有技术中，颗粒阻塞（granular jamming, GJ）、层阻塞（layer jamming）等方案已在不同结构中被验证，但对于细长型操作臂，尚无方案能在微型化尺寸、中央操作通道（free lumen）、刚度变化范围及灵活性之间取得全面平衡。本研究的目的正是在重新设计的STIFF-FLOP模块中，比较两种变刚度技术——纤维阻塞（fiber jamming, FJ）与低熔点合金（low-melting-point alloys, LMPA），并评估其在刚度变化能力、灵活性、形状锁定及过渡时间等方面的性能差异。
三、研究流程与实验方法
本研究首先对STIFF-FLOP模块进行了结构再设计。新模块保持了总长度与外径不变，外径为14.5 mm，可满足标准腹腔镜穿刺器（直径≤15 mm）的使用要求。模块内部包含三对呈120°对称布置的流体驱动腔（fluidic actuation chambers），每对腔体产生一个运动原语（motion primitive, MP），从而实现全方位弯曲与纵向伸长。模块中央保留了一个直径为4 mm的自由通道，用于手术器械通过。模块还嵌入了三个梯形变刚度腔，其几何设计旨在最大化弯曲刚度变化能力。该梯形腔横截面积为11.40 mm²，远离中性轴布置，以增强刚度调节效果。
在变刚度机制方面，研究分别采用纤维阻塞和低熔点合金两种方案。在FJ模块中，选用直径为0.9 mm的尼龙纤维，以梳齿型（comb-type, CT）配置排列，每个变刚度腔中放置12根纤维。CT配置将纤维分为两组，分别从模块的顶部和底部插入，形成交错啮合结构，从而提高纤维间的接触面积与阻塞效果。真空通过一个独立管路施加至变刚度腔，使纤维相互挤压，从而实现从柔软态到刚性态的快速转变。
在LMPA模块中，选用Field’s金属（熔点62 °C）作为变刚度材料。该合金不含镉和铅，毒性较低，适用于生物医学场景。通过拉伸试验测得Field’s金属的杨氏模量为2.91 ± 0.13 GPa，极限应力为25 ± 2 MPa。加热系统采用直径为0.21 mm的镀锡铜导线，呈螺旋状缠绕在LMPA芯材外部，利用焦耳热效应实现合金熔化。冷却过程为被动冷却，主要依靠对流散热。
制造流程包括多个步骤：首先通过三维打印制造模具，然后将棉线缠绕在流体腔模具上形成螺旋增强结构，再将所有模具组装并浇注Ecoflex 00-50硅胶。硅胶固化后，分别将纤维或LMPA芯材与加热丝插入变刚度腔。模块底部和顶部使用Smooth-Sil 950硅胶密封，并集成气动管路与真空管路（FJ模块）或电源引线（LMPA模块）。
实验方案包括五类测试。第一类为静止状态下的变刚度测试，模块以悬臂梁方式固定，施加15 mm垂直位移，记录软态与刚态下的力—位移曲线，每个状态重复三次。第二类为弯曲状态下的变刚度测试，先在软态下以1 bar压力激活一对腔体使模块弯曲，再施加垂直载荷，记录最大力值。第三类为工作空间测试，通过逐步增加压力（0至1.2 bar，步长0.2 bar）测量模块在单一平面上的弯曲角度，使用高分辨率相机记录并通过ImageJ软件进行图像处理。第四类为形状锁定测试，先在软态下弯曲模块并记录角度α1，再触发变刚度机制使模块转为刚态，移除气动压力后记录残余角度α2。第五类为过渡时间评估，FJ模块的过渡时间依据文献数据（约数秒），LMPA模块则通过循环力学测试和热成像分析进行评估。在LMPA熔化时间测试中，模块先处于刚态，开启加热系统后以200 mm/min速度施加5 mm位移，循环50次，记录每循环的最大力值变化；冷却时间测试则从软态开始，循环200次。同时使用热成像相机（FLIR C5）记录模块表面温度分布。
四、主要实验结果
在静止状态变刚度测试中，FJ模块软态最大力为0.59 ± 0.01 N，刚态最大力为1.06 ± 0.03 N，力变化率为180 ± 8%，刚度变化率为151 ± 28%。LMPA模块软态最大力为0.63 ± 0.02 N，刚态最大力为4.51 ± 0.07 N，力变化率为716 ± 50%，刚度变化率为550 ± 52%。两种模块在软态下的力值接近，表明变刚度机制在未激活时对模块柔顺性影响较小；但在刚态下，LMPA模块的承载能力显著高于FJ模块，能够满足腹部手术中软组织牵拉所需的力范围（如胃部约1 N，肠道约5 N）。
在弯曲状态变刚度测试中，FJ模块软态最大力为0.56 ± 0.01 N，刚态最大力为1.01 ± 0.03 N，力变化率为178 ± 10%；LMPA模块软态最大力为0.51 ± 0.02 N，刚态最大力为3.48 ± 0.10 N，力变化率为682 ± 46%。弯曲状态下的刚度变化略低于静止状态，但两种机制仍保持了显著的刚度调节能力，表明模块在变形状态下依然可以有效提供稳定性。
工作空间测试结果显示，两种模块在软态下弯曲角度随压力增加的趋势相似，最大弯曲角度约为60°（在1.2 bar压力下）。这说明纤维或LMPA的存在虽然引入了少量附加阻力，但并未严重削弱模块的灵活性。
形状锁定测试中，FJ模块在移除气动压力后保留了82.2 ± 5.3%的弯曲角度（α2/α1），而LMPA模块保留了91.5 ± 6.7%。LMPA模块更高的残余角度表明液态合金固化后能够更有效地抵抗硅胶基体的弹性回复，从而在无能量消耗的情况下维持变形形状。
在过渡时间方面，LMPA的熔化过程在30 s内完成了约75%的力值下降，60 s内基本完全熔化；冷却过程则较慢，150 s内完成约75%的刚度恢复，240 s内基本完成。热成像显示，在熔化30 s时，模块表面最高温度从初始的25 °C升至48 °C，而中心合金区域温度已超过62 °C。这一表面温度若直接接触人体组织可能造成热损伤，因此需要额外的隔热层设计。相比之下，FJ模块的过渡时间仅为数秒，且不涉及热量产生，具有显著的安全优势。
五、研究结论与应用价值
本研究成功设计并制造了一种外径为14.5 mm、中央具有4 mm自由通道、保留三对流体驱动腔并可嵌入变刚度机制的STIFF-FLOP模块。实验结果表明，LMPA方案在刚度变化幅度和承载能力方面显著优于FJ方案，同时保持了良好的弯曲灵活性和形状锁定能力；而FJ方案则具有极短的过渡时间、无热风险以及更简单的制造工艺。两种方案在刚态下均无需持续能量输入即可维持刚性，这对于静态手术任务（如器官牵拉）具有重要的能效优势。
从应用角度看，该研究为微创手术工具从“内窥镜检查”向“手术操作”的转变提供了关键技术基础。模块可根据具体手术任务的需求选择不同的变刚度机制：若任务需要高刚度和高载荷能力且对过渡时间要求不高，可选用LMPA；若需要快速反复切换刚度且对热安全有严格要求，则FJ更为合适。此外，该设计还可扩展至双模块操作器构型，近端模块提供稳定性，远端模块保持灵活性，从而提升整体手术操作能力。
六、研究亮点
本研究的亮点主要体现在以下几个方面。首先，首次在同一软体操作器平台上系统比较了纤维阻塞与低熔点合金两种变刚度技术，从刚度变化、灵活性、形状锁定、过渡时间和热行为等多个维度进行了定量评价。其次，重新设计的变刚度腔采用梯形截面并远离中性轴布置，在保持外径≤15 mm的条件下最大化刚度变化幅度。再次，LMPA模块的加热系统采用绕线式焦耳加热，避免了占用额外空间的水循环管路，适应了微型化约束。最后，研究通过力—位移测试、循环力学测试和热成像相结合的方法，全面刻画了LMPA模块在熔化与冷却过程中的力学与热学行为，为后续隔热设计提供了实验依据。
七、其他有价值的讨论
论文还讨论了LMPA的自修复特性，即材料可通过加热—冷却循环恢复断裂损伤。此外，作者指出当前制造过程仍依赖手工操作，影响了模块的一致性与可重复性，未来需探索更自动化的制造方法。在热管理方面，作者建议引入隔热层以降低表面温度并缩短熔化时间，但需权衡其对冷却速度的负面影响。这些讨论为后续研究提供了明确方向。