本研究由中国科学院深圳先进技术研究院的Haifeng Xu（通讯作者）团队主导，共同第一作者为Yuan Liu、Jing Huang和Xuhui Zhao，合作单位包括中北大学和中山大学。该研究成果于2026年发表在期刊 Nature Communications 上。
研究背景
该研究属于微创手术（MIS）器械领域，特别是针对小管腔（如血管、支气管和输卵管）内手术的微导管（microcatheter）技术。在复杂的细小管腔中进行手术，要求介入器械同时具备两种看似矛盾的机械特性：在导航转向时需要高顺应性（compliant steering）以安全通过曲折路径，而在组织穿透和稳定推进时又需要高刚度（stable advancement）以防止弯曲（buckling）并对抗机械阻力。然而，现有的微导管普遍缺乏一种非破坏性、易于集成的动态刚度调节（dynamic stiffness tuning）策略。已有的材料基策略（如使用磁流变液、低熔点合金）依赖于可能对生物组织造成热损伤或毒性的强刺激；而结构基策略（如颗粒阻塞、层阻塞）则面临系统复杂化和尺寸增大的挑战，难以应用于直径接近1毫米甚至更小的腔室。因此，本研究旨在开发一种能够与商用微导管无缝集成、仅通过磁场实现刚度连续调节与主动转向的微机器人系统，以解决这一长期挑战。
研究流程与详细工作
研究团队首先设计并制造了一种名为“Helixoft”的螺旋形磁性软体微机器人。该微机器人由三个核心组件构成：一个高刚度的医用级不锈钢硬磁螺旋（rigid magnetic helix），一个由生物相容性硅胶（Ecoflex-20）模制而成的软微管（soft microtube），以及一个同样具有磁性的管状远端（tubular distal end，在本研究中展示为活检针）。通过一个一锅模塑工艺，软微管被直接集成到直径小至300微米的商用微导管上。微机器人的集成还包括一个固定在软微管外层的圆柱形锚点，用于防止硬磁螺旋因组织摩擦而发生意外滑动；以及一层生物相容性润滑涂层（聚二甲基丙烯酰胺，PDMAA），用于降低导航阻力。
系统的控制策略基于“材料磁化-器件结构-磁场模式”三位一体的解耦控制设计。硬磁螺旋和磁性远端均被径向磁化（radially magnetised），使其能独立响应不同的磁场模式，以实现刚度调节和主动转向的解耦。具体而言，刚度调节通过施加旋转磁场（r-field, 3 mT）驱动硬磁螺旋做螺旋运动（screw-like helical motion），使其动态地覆盖或暴露其下的软微管段。通过编程螺旋的旋转角度，可以连续改变螺旋与软管的重叠长度，从而实现对集成微导管整体弯曲刚度（ei）40倍范围内的连续调节（例如600微米直径导管可从36 kPa调节至1500 kPa）。主动转向则通过施加静态磁场（s-field, 20-150 mT）实现。磁场力矩会使磁性远端对准外场方向，从而带动导管弯曲。弯曲的角度取决于预先设定的刚度状态和s场的方向，在低刚度状态下可达到最大118°的弯曲角。该解耦策略确保了两种功能可以顺序、独立地进行，互不干扰。
为了实现对导管姿态的精确预测和控制，研究团队开发了一个理论力学模型。基于常曲率模型（constant curvature model），模型描述了集成微导管的平均刚度（ei）与螺旋重叠长度之间的关系。随后，导出了导管远端在给定刚度（由r场决定）和弯矩（由s场决定）下的位姿（pose，包括远端坐标x, y和弯曲角度θ）方程组。研究通过两种方式求解该模型：一是使用遗传算法与局部优化策略结合的混合优化方法求得数值解；二是在特定近似条件下推导出一个近似解析解。实验结果与模型预测之间的平均绝对百分比误差（MAPE）在低刚度范围内低于10%，表明模型具有高度准确性。
该研究的测试与验证过程分阶段进行，使用了不同尺寸和复杂度的模型： 1. 平台性能表征： 在实验室环境下，测试了三种尺寸（300 μm, 600 μm, 1 mm）的Helixoft集成微导管在不同r场和s场参数下的刚度调节范围、转向角度、响应速度及控制精度。此外，还通过设计双段式刚度调节模块展示了分布式刚度控制能力，即通过移动一个永磁体，实现对单根导管上两个独立螺旋段的分别控制，从而实现导管末端可呈现C形、L形和J形等多种弯曲构型。 2. 体外模型验证： 在水凝胶仿体模型中进行手术能力的初步验证。 * 脑血管仿体模型（管径~1.5mm）： 使用300微米直径的微导管演示其通过连续分叉的导航能力。导管在高刚度状态无法进入分支，切换为低刚度状态后，在s场引导下成功导航进入指定分支。 * 颈动脉仿体模型（含模拟病灶和动脉瘤）： 使用1毫米直径微导管演示了局部活检和精准给药的全流程。活检过程中，导管先以低刚度状态导航至病灶处，但因刚度不足而弯曲、无法穿刺；随后切换回高刚度状态，成功实现了对模拟病灶的穿透。给药过程中，导管则通过多段式弯曲（先15°后40°）精准进入模拟动脉瘤，并以微升级精度注射了模拟药物（含红色墨水的明胶栓塞剂）。这些演示突出了导管在不同任务阶段动态平衡柔性与刚性的能力。 3. 体外真实组织验证： 在离体的猪输卵管（oviduct）中进行局部活检演示。输卵管具有粘膜皱襞和粘液层，提供了高摩擦、高阻碍的真实生理环境。实验展示了Helixoft导管如何通过刚度编程避免对健康组织造成意外侵入（unintended invasion），并在目标部位切换刚度以成功完成组织穿刺取样。 4. 活体动物验证： 在三头巴马小型猪（巴马小型猪，约30公斤，雄性）中进行了经支气管的精准给药手术。 * 导航与给药： 在数字X射线摄影（DR）实时成像和集成微型摄像头（mini-camera）的引导下，Helixoft微导管从气管插管进入，通过在不同阶段（气管内推进、通过分叉、进入细支气管）调节至合适刚度状态（高、中、低），并结合磁场转向，成功导航并进入到直径约2mm的第四代支气管（fourth-generation bronchi）。最终，通过微导管在15秒内精准注射了25微升含造影剂的抗癌药物（阿霉素，doxorubicin）溶液，给药精度和药物分布通过内置摄像头和X射线进行了双重确认。 * 安全性评估： 术后7天的观察期内，对猪模型进行了术后评估。猪的体重和日常活动均保持稳定。常规临床血液分析和组织学检查均未发现有急性炎症或黏膜损伤的迹象，初步验证了该系统的生物安全性。
主要结果
研究的核心结果是成功构建并验证了Helixoft微机器人系统。该系统能无缝集成到现有的商用微导管上，仅通过低强度磁场就实现了两个关键功能的解耦控制：其一，实现了前后高达40倍的连续、可编程刚度调节，远超此前结构基策略仅能实现的二值或离散调制；其二，实现了最高118°的多向精准磁转向。理论力学模型能够高精度（MAPE < 10%）预测导管在不同状态下的位姿。一系列递进的验证实验——从水凝胶血管仿体中的导航、活检和给药，到离体猪输卵管中的活检，再到活体猪第四代支气管中的精准给药——均证实了该系统在复杂的管腔网络中执行精细手术任务的能力和安全性。
结论与价值
本研究提出的Helixoft微机器人系统，为微创手术器械在狭小、敏感的人体管腔环境内的机械重构提供了一种通用性强的、非破坏性的机器人策略。其科学价值在于，它通过创新的磁化与结构设计，完美解决了磁性软体机器人中多自由度运动及变刚度功能之间的解耦难题，为相关领域提供了一个新的控制理论模型和设计范式。在应用价值上，该系统尺寸可缩放，兼容性强，可集成微型摄像头、电极、光纤等外部工具，有潜力应用于包括支气管、脑血管和生殖道在内的多种复杂管腔环境，实现成像引导下的精准诊断、局部治疗和多模态手术。
研究亮点