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这项研究由Haider Abidi、Giada Gerboni、Margherita Brancadoro、Jan Fras、Alessandro Diodato、Matteo Cianchetti、Helge Wurdemann、Kaspar Althoefer和Arianna Menciassi等人完成。主要作者分别来自意大利圣安娜高等研究学院生物机器人研究所（BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant’Anna）、美国斯坦福大学设计研究中心（Stanford University, Center for Design Research）、波兰自动化与测量工业研究所（Industrial Research Institute for Automation and Measurements）、英国伦敦玛丽女王大学工程与材料科学学院（Queen Mary University of London, School of Engineering and Materials Science）以及英国伦敦大学学院机械工程系（University College London, Department of Mechanical Engineering）。该研究于2017年7月11日投稿，2017年10月13日被接收，并发表在期刊《The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery》上，DOI为10.1002/rcs.1875。
从学术背景来看，该研究属于微创手术（minimally invasive surgery, MIS）中的软体机器人（soft robotics）与腹腔镜手术器械交叉领域。传统的腹腔镜手术工具以刚性器械为主，其工作空间受限于以穿刺孔为顶点的锥形区域，器械只能通过纵向滑动和绕支点旋转实现四个自由度（degrees of freedom, DOFs）的运动。在遇到如全直肠系膜切除术（total mesorectal excision, TME）这样需要绕过多器官、到达深部困难部位的手术时，刚性器械的操作灵活性明显不足。针对这一问题，已有部分多自由度器械被提出，例如达芬奇（da Vinci®）系统的EndoWrist柔性腕部，以及i‐Snake、SurgiBot等柔性平台。然而，这些器械在进入体内后仍难以兼顾高灵活性和安全的人机交互能力。软体机器人采用柔性流体驱动器（flexible fluidic actuators, FFAs），由硅胶等柔软材料制成，具备固有的柔顺性和安全性，理论上具有无限自由度，能够更好地适应复杂解剖结构，同时避免对组织的损伤。本研究的目标是开发一种高度灵活的双模块软体机器人，作为微创手术中柔性内镜工具的引导通道，实现绕过脏器到达困难区域的能力，同时保持与传统微创器械兼容的尺寸。
在研究流程上，作者首先定义了设计需求：机器人外径需小于15 mm以兼容标准穿刺器，需具备多于四个运动原语（motion primitives, MPs）以保证灵活性，需在泄气状态下可被挤压通过狭窄空间，且需保留约4–5 mm的自由内腔用于通过手术器械或摄像头线缆。然后，作者设计了一种由两个相同模块串联组成的软体机器人。每个模块长度为50 mm，外径14.5 mm，内部沿中心轴排列了三对圆柱形气腔，每对气腔由一根供气管同时驱动。气腔外螺旋缠绕最小节距的不可延伸纤维线，以限制径向膨胀并将压力转化为纵向伸长。激活一对气腔时模块产生平面弯曲，三对气腔分别对应三个弯曲运动原语；同时激活所有气腔时产生纵向伸长。两个模块通过刚性连接件固定，末端模块的内腔完全自由，用于安装摄像头或通过其他器械，而基座模块的内腔部分被气动管路占据，但仍有空间通过直径约3 mm的设备。制造过程采用多步硅胶浇筑，首先在3D打印圆柱上缠绕纤维线形成气腔模具，然后在模块模具中浇筑Ecoflex 0050硅胶，固化后抽出气腔模具，再经二次浇筑使纤维线完全嵌入硅胶本体。最后用较硬的Smooth Sil 950硅胶制作端部密封件，并将同一对气腔的内部连接管封装于模块顶端。每个模块最终重量约8.5 g。
针对机器人的运动学建模，研究采用了常曲率（constant curvature, CC）假设。通过三个配置参数——曲率k、平面角φ和主干长度l——描述模块形状。正向运动学模型中，作者建立了从气腔长度（l1, l2, l3）到配置参数（k, φ, l）的映射关系，再通过齐次变换矩阵得到末端位置。逆向运动学则从末端坐标出发，利用x-y平面上的投影角确定φ，由x、y、z坐标推导出k和l，再根据θ角和φ计算各气腔长度。该模型不考虑重力影响，且可用于多模块机器人。该运动学模型为仿真机器人的工作空间、评估其灵活性以及后续开环控制提供了理论基础。
在实验部分，作者首先在单模块上测试了运动重复性。将单对气腔激活时，模块产生约154°的平均弯曲角，标准差为0.25°；两对气腔同时激活时平均弯曲角为171°，标准差为0.34°。运动学模型仿真得到的结果分别为148°和167°，与实验值误差分别为3.8%和2.3%，说明模型在0–1.5 bar压力范围内能够较好描述模块行为。利用常曲率模型，作者构建了双模块机器人的工作空间示意图，基座模块固定时，末端模块可在不同方向上弯曲并形成穹顶状可达区域。最后，作者在人尸体模型上进行了TME手术场景验证。实验中软体机器人通过一个穿刺器进入腹腔，由一名外科医生通过操纵杆进行前馈开环控制，其末端摄像头提供第二个视频画面，而标准腹腔镜的30°光学镜头则用于记录软体机器人的运动。结果表明，该软体机器人能够沿着解剖结构滑动并到达刚性器械难以到达的手术目标位置，为术中提供了近距离的视觉引导。
从结果来看，实验数据支撑了以下结论：该软体机器人在约束空间内具备高灵活性和可重复性，常曲率运动学模型能够有效估计其弯曲行为，且在真实尸体手术环境中展示了较标准刚性器械更优的可达性和安全交互能力。这些结果为将该机器人作为微创手术中的柔性通道和视觉引导工具提供了实验依据。
本研究的结论是：该双模块软体机器人通过柔性流体驱动器的优化设计，在保持与传统穿刺器兼容的同时，实现了全向弯曲和纵向伸长能力，降低了接触损伤风险，并具备良好的运动重复性。常曲率模型虽然未考虑重力和外力影响，但在当前视觉反馈开环控制的水平下已足够使用。机器人不仅可以作为摄像头载体，其自由内腔还可用于通过其他手术器械，从而扩展其作为难以到达解剖区域通道的功能。
该研究的亮点在于：其一，采用双圆柱气腔对称排列的设计，在有限径向空间内增大了弯曲力矩并提高了弯曲稳定性，同时保留了中央自由内腔；其二，通过最小节距纤维线缠绕和二次硅胶浇筑工艺，使得气腔在压力下只产生纵向伸长，避免了径向膨胀，从而提高了驱动效率并减小了损伤风险；其三，基于常曲率假设建立了从气腔长度到末端位置的完整正逆运动学模型，为后续控制奠定了基础；其四，在人体尸体模型上完成了真实TME场景验证，展示了软体机器人绕过解剖障碍并提供补充视觉的能力。
另外，文中还指出该机器人系统仍存在需要进一步改进的方面，例如运动学模型中未考虑多模块串联时重力对基座模块的影响，以及来自末端器械或组织的交互力尚未被纳入模型。尽管如此，该机器人在当前仅依赖视觉反馈的开环控制方式下已经能够完成复杂导航任务，展示了软体机器人技术在微创手术中的巨大应用潜力。整体而言，该项研究在软体手术机器人设计与建模、制造工艺优化以及临床场景验证等方面均提供了具有重要参考价值的成果。