本文为类型a，即单一原创研究报告。

该研究由新加坡国立大学（National University of Singapore）生物医学工程系及先进机器人中心的Jin Guo、Jin-Huat Low、Xinquan Liang、Raye Chen Hua Yeow，联合新加坡中央医院（Singapore General Hospital）的Jasmin Shimin Lee与Yoke-Rung Wong共同完成。通讯作者为Raye Chen Hua Yeow。论文发表于IEEE/ASME Transactions on Mechatronics期刊2019年8月第24卷第4期，页码1440至1451。

指神经修复手术（digital nerve repair surgery）中，使用传统金属刚性手术钳夹持指神经时，医生必须极其谨慎，以避免因过度用力导致的医源性神经损伤（iatrogenic nerve trauma）。这类损伤主要源于刚性器械对神经组织施加的过大机械应力，且在术中通常难以察觉，会影响患者术后感觉功能恢复。软体气动执行器（soft pneumatic actuator）因具备优异的顺应性与可压缩性，已被逐步引入生物医学领域。然而，现有软体夹持器或体积过大，或夹持力不足，难以满足指神经修复手术中在有限解剖空间内进行稳定夹持、牵拉及旋转等精细操作的需求。基于此，研究团队提出并研制了一套双臂混合软体手术夹持器系统（two-arm hybrid soft surgical gripper system），旨在降低神经所受过度应力的风险，辅助医生完成精细的神经操作。

该系统的整体构成包括两个混合软体手术夹持器、两个刚度可调定位臂以及一套脚踏控制系统。每个混合软体手术夹持器由钩形不锈钢外壳和内部软体气动夹持执行器组成。软体夹持执行器由一根供气硅胶管和一片厚度为0.8毫米的Ecoflex 0030薄硅胶片构成。硅胶管表面开有2毫米×2毫米的小孔，薄硅胶片被粘合覆盖于孔上。当压缩空气经硅胶管输入后，硅胶片从小孔处膨胀形成气泡，与钩形结构共同夹持指神经。钩形设计允许医生从神经周围组织中挑起并钩住神经。夹持器为可插拔组件，术中若执行器损坏可快速更换。此外，供气硅胶管内插入不锈钢丝以增强管道刚性，使夹持器朝向和位置可依据手术环境进行弯曲调整。为制造厚度均匀且无气泡的薄硅胶片，研究团队提出了一种基于连通器原理的新型制造方法。该方法利用三维打印的顶部成型壳体和底部容器构成模具，液态硅胶从底部向上流动填充成型空间，同时将气泡推至顶部，从而保证薄片厚度一致且结构完整。

定位臂由四段中空亚克力管和三个刚度可调球关节组成。每个球关节包含球体、球窝、气动锁定执行器、圆形凹平台及连接件。球关节的理论旋转范围为−45°至45°。当向气动锁定执行器充气时，膨胀的硅胶片推动凹平台紧压球体，通过增大摩擦力实现关节锁定；放气后关节恢复低刚度，便于自由移动。通过坐标变换和几何建模，研究团队计算并绘制了定位臂的工作空间。脚踏控制系统包括便携式压缩机、两个压力调节器、三个数字阀和三个脚踏开关。左、右脚踏分别控制左、右手术夹持器的充放气，第三个脚踏控制定位臂中气动锁定执行器的锁定与解锁，并配有LED指示灯和压力传感器显示工作状态。

在理论建模与仿真方面，研究采用三阶Ogden超弹性模型描述硅胶材料非线性行为，利用有限元方法（finite element method, FEM）对软体气动夹持执行器在不同输入气压下的膨胀过程进行模拟。仿真分为无钩形结构限制和有钩形结构限制两种情况。同时，研究建立了简化的二维静态模型，将膨胀气泡视为圆弧段，通过力矩平衡推导输入气压与气泡中心挠度之间的关系。模型考虑了材料拉伸力矩、气压对半圆弧的力矩以及刚性约束平面上压力产生力矩之间的平衡，并区分中心角小于等于180°和大于180°两种情形。

实验验证包括膨胀测量实验、夹持力测量实验、尸体实验、啮齿动物在体实验及组织病理学研究。膨胀测量实验中，由于钩形结构内部空间过小，研究团队制作了与手术夹持器具有相同嵌套结构和开口尺寸的复制件，通过高清相机记录不同气压下硅胶片中心挠度，并与理论模型和FEM模型结果对比。结果显示，FEM模型的平均相对误差为8.1%，最大相对误差为18.12%；解析模型的平均相对误差为18.35%。夹持力测量实验使用精度为0.001 N的力传感器，在距复制件底部0.1毫米、0.3毫米、0.5毫米和0.7毫米四个位置，测量20至170 kPa气压范围内夹持力。结果表明，在160 kPa气压下，软体气动夹持执行器可产生超过1 N的夹持力，满足显微外科操作对夹持力的要求。据此，研究中选定150 kPa作为软体夹持执行器的工作气压，180 kPa作为气动锁定执行器的工作气压。

尸体实验在尸体中指指神经上进行。医生先切开皮肤暴露并游离指神经，然后横断神经以模拟神经断裂。两个手术夹持器分别夹持两断端，医生将其拉近至适合缝合的距离，随后触发定位臂锁定。在显微镜下，医生使用传统持针器完成神经外膜缝合，先缝合前侧，再通过弯曲供气硅胶管旋转神经断端，暴露并缝合后侧。整个过程中，夹持器保持牢固夹持，定位臂保持稳定，系统成功完成了指神经修复所需的全部操作。啮齿动物在体实验中，六只7周龄雄性Wistar大鼠被分为实验组和对照组，每组三只。实验组使用该手术夹持器系统进行坐骨神经切断与修复，对照组使用传统手术钳。实验组同样完成了前侧缝合、旋转和后侧缝合。所有手术结束后，取出神经标本进行苏木精-伊红染色（H&E stain）组织病理学评估。病理学家在盲法条件下根据G0至G5分级系统对神经损伤程度进行评分。结果显示，实验组神经夹持部位的平均损伤等级为G3（中度），而传统手术钳组为G4（显著），表明该系统造成的神经组织损伤更轻。组织学上，实验组夹持部位仅见轻微出血和少量炎细胞浸润，而对照组则表现为中度出血及较多炎细胞浸润。

该研究的核心结论是：所提出的双臂混合软体手术夹持器系统能够在有限解剖空间内完成指神经修复手术所需的夹持、牵拉、旋转和定位等操作，并在尸体及在体实验中验证了其可行性和有效性。与传统刚性手术钳相比，该系统能显著降低神经组织损伤程度。其科学价值在于将软体气动执行器的顺应性优势与刚性钩形外壳的结构稳定性相结合，提出了一种新型混合手术器械设计思路，并通过理论建模、有限元仿真与实验验证建立了从结构设计到性能评价的完整流程。其应用价值在于为指神经修复手术提供了一种可降低医源性神经损伤风险的工具，尤其适用于神经质量较差的老年患者。研究还指出，当前设计需医生手动弯曲供气硅胶管以旋转神经断端，部分情况下可能无法一次成功暴露后侧，且不锈钢丝刚度的选择存在困难。未来工作将致力于设计一种可自动旋转夹持神经断端的机构，以克服上述局限。