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本研究由 Rei Hisatomi、Takahiro Kanno、Tetsuro Miyazaki、Toshihiro Kawase 及 Kenji Kawashima 等人完成，作者单位均为东京医科齿科大学生物力学系。论文发表于 2019 年 IEEE/SICE 系统集成国际研讨会，会议地点为法国巴黎，发表时间为 2019 年 1 月 14 日至 16 日。论文标题为《Development of forceps manipulator using pneumatic soft actuator for a bending joint of forceps tip》。

从学术背景来看，该研究属于医疗机器人领域，具体聚焦于微创手术中的手术钳操作器研发。近年来，微创手术因其患者术后恢复快、创口小等优势而被广泛开展，但医生需要在狭窄的腹腔操作环境中精确控制手术钳，这对操作技术提出了很高要求。传统手术钳操作器多采用金属丝驱动弯曲关节，然而该方式存在金属丝与零件之间的摩擦损耗以及多根金属丝之间的干涉问题。为了避开这些问题，已有研究者将软体气动执行器用于手术机器人，但多数系统或是因执行器尺寸过大而难以用于微创手术，或是虽然直径较小但弯曲半径过大，难以在狭窄空间中灵活操作。基于上述背景，本研究的目标是开发一种利用气动软体执行器直接作为弯曲关节的手术钳操作器，从而取消金属丝驱动机构，降低系统重量和复杂度，同时保证足够的弯曲角度。

该研究的核心工作流程可分为几个主要部分。首先，研究者设计并制造了软体执行器。该执行器由硅橡胶本体和两类金属弹簧骨架构成。硅橡胶材料选用 Dragon Skin 30，其邵氏 A 硬度为 30psi，断裂伸长率为 364%，拉伸强度为 500psi。执行器直径为 9 mm，总长为 23 mm，其中膨胀部分长度为 15 mm。执行器内部沿圆周方向分布四个扇形气室，每个气室均可独立供气，从而实现二自由度弯曲。外侧覆盖外径 9 mm、线径 0.5 mm 的金属弹簧，用于限制径向膨胀；中心嵌入外径 2 mm、线径 0.26 mm 的金属弹簧，用于提高弯曲刚度。制造时，研究者使用铝制模具，先将中心管和外侧金属弹簧放入模腔，再注入液态硅橡胶，在真空室中脱泡 15 分钟后于室温下固化 10 小时左右。随后利用 3D 打印模具在硅橡胶一侧制作带有 1.2 mm 开孔的底面，并在另一侧切割多余硅胶，最后将气管粘接到底部孔口上完成执行器制作。其次，研究者对软体执行器进行了静态特性测量。实验装置包括气罐、调压阀、伺服阀等，伺服阀采用 Festo 的 MPYE ¹⁄₄ 型滑阀。实验时从 0 kPa 开始以 50 kPa 为间隔加压至 250 kPa，再以相同间隔减压，并用相机记录弯曲状态，利用运动分析软件测量不同压力下的弯曲角度。结果显示，执行器的平均最大弯曲角度为 51.5 度，实现了目标弯曲角度，但不同气室之间的弯曲角度存在差异，且加压和减压过程之间最大滞后为 19 度。第三，研究者设计了控制方法。为了实时计算目标弯曲角对应的压力值，他们基于静态实验数据，利用最小二乘法对每个气室分别拟合了四次多项式。同时，为了避免迟滞影响，控制器引入了伪拮抗驱动策略，即在弯曲时对相对侧气室也施加恒定基准压力，从而实现虚拟负压效果。由于单个气室体积仅约 70 mm³，直接通气容易引起振动，因此在伺服阀与手术钳之间设置了一个体积为 4.71×10³ mm³ 的缓冲气罐。压力控制采用 PI 控制，其增益通过频率响应测试确定。最后，研究者构建了主从控制系统进行实验验证。从端将手术钳安装在 Tadano 等人开发的气动四自由度持镜机器人上，主端使用 Geomagic Touch X 设备，可进行六自由度位置与姿态输入及三自由度平移力反馈。主从控制周期均为 1 ms。

研究的主要实验结果包括弯曲操作实验、积木转移任务和动物实验。在弯曲操作实验中，操作者通过主从系统控制手术钳进行左右、上下方向的单轴弯曲动作。供气压力限制在 220 kPa，主端输入角约为 60 度。实验结果表明，手术钳软体执行器内的压力能够较好地跟随主端输入。在左右方向弯曲时，向右最大弯曲角度为 37 度，向左最大弯曲角度为 35 度；在上下方向弯曲时，向上最大弯曲角度为 34 度，向下最大弯曲角度为 33 度。这些结果达到了基于静态特性曲线所预期的目标角度。积木转移任务中，操作者根据内窥镜图像用手术钳抓取三角形积木，将其从一个立柱拔出并移动到另一个立柱上。任务共执行十次，成功六次。失败的主要原因是当手术钳在拔出或插入积木时，若施加一定外力，软体执行器的刚度不足会导致其朝非预期方向弯曲，从而使积木脱落。这说明执行器弯曲刚度仍有待提高。动物实验使用三个月大的猪进行体内器官抬升操作测试，实验结果表明手术钳能够在活体环境中完成良好的弯曲运动，并成功实现肝脏抬升动作。

本研究的结论是，成功开发出一种以气动软体执行器为弯曲关节的手术钳操作器。该手术钳总长为 340 mm，重量为 23 g，最大弯曲角度为 53 度。它使用四个独立气室实现二自由度弯曲，并通过标定弯曲角度与压力之间的关系及闭环压力控制实现位置控制。由于取消了金属丝驱动和末端驱动单元，该操作器结构简单、质量轻，且不含电气传感器，可进行消毒处理，同时制造成本较低，具备一次性使用的潜力。研究的科学价值在于提出并验证了将软体执行器直接嵌入手术钳弯曲关节的方案，避免了传统金属丝驱动带来的摩擦与干涉问题；应用价值在于为微创手术提供了一种轻量化、紧凑化的手术钳操作器原型，为未来进一步缩小直径、提高刚度并用于实际手术辅助机器人系统提供了基础。

本研究的亮点在于设计并制造了一种由金属弹簧和硅橡胶复合而成的小型软体执行器，并将其直接安装于手术钳弯曲关节处，替代了传统金属丝驱动方式。该执行器通过外弹簧抑制径向膨胀、内弹簧提高弯曲刚度，具有结构简单、易于制造的特点。此外，研究提出采用伪拮抗驱动策略来补偿软体执行器的迟滞效应，并利用缓冲气罐抑制小体积气室通气时的振动。这些方法对于小型气动软体执行器的控制具有较高的参考价值。

研究者在论文最后指出，未来需要进一步提高软体执行器在手术钳弯曲关节中的弯曲刚度，开发能够实时获取弯曲角度的跟踪系统，并针对更细直径的手术钳操作器重新设计软体执行器，同时还应测量弯曲关节所产生的扭矩。这些内容表明该原型在临床转化方面仍处于早期阶段，但已初步展示了其在真实手术环境中的可行性。