本文介绍了一项由意大利圣安娜高等研究院（Scuola Superiore Sant’Anna）生物机器人研究所（The BioRobotics Institute）的 Iris De Falco、Matteo Cianchetti 和 Arianna Menciassi 等研究者完成的原创性研究。该研究于2017年9月25日发表在 Bioinspiration & Biomimetics 期刊上，论文标题为《A soft multi-module manipulator with variable stiffness for minimally invasive surgery》。该研究属于软体机器人（soft robotics）与医疗机器人交叉领域，旨在开发一种受章鱼臂（octopus arm）生物学特性启发的、具有变刚度（variable stiffness）能力的多模块软体操作臂，用于微创外科手术（minimally invasive surgery, MIS）。
微创外科手术已成为现代外科干预的金标准，其通过较小的切口实现高质量的手术操作，减少患者创伤、改善美观效果并缩短恢复时间。然而，传统微创手术工具多为刚性或半刚性器械，灵活度（dexterity）、柔顺性（flexibility）和可操作性（manoeuvrability）有限，尤其在单孔腹腔镜手术（single port laparoscopy, SPL）和经自然腔道内镜手术（natural orifice transluminal endoscopic surgery, NOTES）等入路点受限的场景下，手术操作难度显著增加。连续体机器人（continuum robots）和全关节式工具虽然能够提供更高的灵活度，但其稳定性不足，缺乏对组织相互作用的主动控制能力。
软体机器人因其高柔顺性和环境适应性，能够安全地与非结构化环境交互，适合在人体内导航和操作。然而，纯软体机器人通常只能产生较低的力输出，难以满足微创手术中诸如组织牵开（retraction）等需要较高力（可达3 N）的任务要求。为了解决软体机器人“柔顺但力量不足”的矛盾，研究者提出将软体驱动与变刚度机制相结合的设计思路。
本研究的核心目标是设计与制造一种受章鱼臂启发的多模块软体操作臂，每个模块集成流体驱动器（fluidic actuators）实现全向弯曲（omnidirectional bending）和伸长（elongation），同时集成基于颗粒阻塞（granular jamming）的刚度调节机制，使操作臂能够在柔顺状态与刚性状态之间切换。此外，操作臂末端集成微型摄像头和气动夹爪（pneumatic gripper），使其具备在实际手术场景中执行操作任务的能力。
该研究的工作流程包括操作臂的概念设计与制造、刚度性能的理论与实验评估、运动工作空间分析、夹爪性能表征以及全集成系统的拾放（pick and place）测试五个主要阶段。
操作臂采用多模块化设计，由三个完全相同的模块串联组成，总长165 mm，直径30 mm。单个模块为 Ecoflex 0050 硅胶制成的软圆柱体，长度50 mm，内部嵌有三个半圆柱形空腔作为流体驱动器，三个空腔以120°间隔对称排列。模块中心设有一个刚度调节通道，用于容纳颗粒阻塞机构。模块外部集成编织护套（braided sheath），用以限制流体驱动器充气时的径向膨胀（即“气球效应”），从而优化纵向运动。
模块的运动取决于被激活腔室的组合：激活单个腔室时模块发生弯曲；同时激活两个腔室时模块沿中间方向弯曲；三个腔室同时以相同压力充气时模块伸长。模块之间通过 Dragon Skin 10 硅胶接头（junction）连接，接头长度为5 mm，其较高的弹性模量（0.37 MPa）使得接头在操作臂运动期间的位移可以忽略不计。
颗粒阻塞机构由乳胶膜（latex membrane）填充约5 g粗磨咖啡颗粒构成。当对膜内施加负压（真空）时，颗粒间的摩擦增大，机构刚度显著提升。三个模块的颗粒阻塞膜通过单根真空管路串联连接，实现同步激活。操作臂末端集成一个商用CMOS摄像头（Aidevision，直径2.5 mm，分辨率320×240像素，帧率30 fps）和一个定制的气动夹爪。夹爪基于单活塞效应工作，常闭状态，充气时活塞上移压缩弹簧使夹爪张开。
研究者采用复合材料力学中的 Reuss 等应力模型和 Voigt 等应变模型对操作臂的轴向刚度进行了理论计算。操作臂被划分为模块和硅胶接头等组成部分，每个模块进一步分为四个部分：硅胶接头（Part 1）、腔室顶部的硅胶与颗粒阻塞膜末端区域（Part 2）、包含驱动腔室的区域（Part 3）以及腔室底部与 Part 2 相同的区域（Part 4）。各部分弹性模量通过 Voigt 模型根据材料体积分数加权计算，然后通过 Reuss 模型串联计算整个模块和操作臂的等效弹性模量。材料的基础弹性模量通过机械压缩试验确定：Ecoflex 0050 为0.21 MPa，Dragon Skin 10 为0.37 MPa，颗粒阻塞膜在大气压下为0.64 MPa，在0.1 MPa真空下为1.89 MPa。理论计算考虑了驱动开/关和阻塞开/关的四种组合情况。
实验刚度测试使用 Instron 4464 压缩试验机进行。操作臂置于透明支撑管内，由刚性圆柱沿轴向施加10%的压缩应变。驱动管路连接外部空气压缩机以同时激活所有腔室，真空管路连接外部真空泵以激活颗粒阻塞机构。对四种工况（驱动关/阻塞关、驱动关/阻塞开、驱动开/阻塞关、驱动开/阻塞开）分别进行三次压缩测试，充气压力为650 mbar（最大工作压力），取平均力数据计算应力-应变曲线和弹性模量。
运动测试装置中，操作臂基部固定于刚性支架，尖端自由运动，模拟实际手术中操作臂经腹壁穿刺器进入腹腔的工作状态。尖端固定一个6自由度探针，通过 Aurora 电磁跟踪系统（NDI Medical）在操作臂运动过程中实时采集位置数据。伸长测试：分别单独激活模块1、模块2和模块3的所有腔室，以及同时激活全部九个腔室，压力从0 mbar到650 mbar以50 mbar步进递增，每步采集100个样本。弯曲测试：分别测试单腔室弯曲（如M1C1、M2C1、M3C1）和双腔室弯曲（如M1C1+M1C2等）的单个模块工况，以及三腔室对齐激活（M1C1+M2C1+M3C1）和六腔室对齐激活的整个操作臂工况。
三位具有机器人技能但无医学背景的用户参与了拾放测试。操作臂近端固定，末端在台面上方自由运动，台面上放置带有钉孔的插板。用户通过操作臂自带摄像头获取视频反馈，在远程控制站通过专用用户界面控制操作臂，完成从插板一个位置拾取钉子并放置到另一指定位置的任务。每位用户在5–10分钟训练后执行任务三次。
理论计算结果显示：在驱动关/阻塞关状态下操作臂弹性模量为0.37 MPa；驱动关/阻塞开状态为0.78 MPa；驱动开/阻塞关状态为0.38 MPa；驱动开/阻塞开状态为0.79 MPa。实验测得的结果趋势与理论一致，但实验值高于理论值0.11–0.18 MPa。这一差异可能源于理论模型中未包含管路和外部编织护套的贡献。两组数据均表明，颗粒阻塞机构的激活是弹性模量变化的主要因素，而驱动腔室的充气状态对刚度影响不大。当颗粒阻塞被激活（0.1 MPa真空）时，操作臂刚度提升约80%。
在伸长测试中，单个模块在650 mbar压力下分别达到29 mm（模块1）、30 mm（模块2）和31 mm（模块3）的伸长量，三者差异可忽略。整个操作臂在全部九个腔室同时激活时达到88 mm的最大伸长量，相当于初始长度的53%，最终长度253 mm。整个操作臂的伸长量等于各模块伸长量之和，验证了外部编织护套在多模块同时运动时的功能兼容性。
在弯曲测试中，单个模块驱动时，模块2覆盖的工作空间最大（约20 mm×30 mm平面区域），模块1次之，模块3最小，这是因为非驱动模块的重力影响了运动轨迹。整个操作臂的单腔室弯曲在650 mbar时达到248°的最大弯曲角，尖端轨迹为半椭圆形，短轴约150 mm、长轴约176 mm。双腔室弯曲的最大弯曲角为85°。
气动夹爪在240 mbar以下保持闭合状态，之后张开角随压力近似线性增加，在720 mbar时达到最大张开角61°，之后角度保持恒定。720 mbar的供气压力不会引起供气管路发生意外变形或引起操作臂的意外运动。
三位用户均成功完成任务，平均完成时间分别为1分27秒、2分23秒和2分17秒。用户在执行任务过程中（如接近钉子时）主动激活了刚度增强机制以提高稳定性。完成时间略高于其他研究中的机器人系统，主要原因是控制界面的功能相对简单、摄像头仅提供二维视觉反馈以及夹爪仅具有单自由度。
该研究成功设计并制造了一种受章鱼臂启发的软体多模块操作臂，集成了流体驱动、颗粒阻塞变刚度、视觉反馈和末端执行功能。实验证明，操作臂能够实现53%的伸长率和最高248°的弯曲角，颗粒阻塞激活后刚度提升80%。该研究在软体机器人领域具有重要的科学价值：它展示了一种将高柔顺性与可调刚度有机结合的可行设计范式。在应用层面，该操作臂为微创手术器械的柔性化与功能化提供了新的技术途径，有望改善手术器械在复杂解剖环境中的安全性和可操作性。未来工作将关注操作臂的小型化以及采用更适合外科应用的材料进行制造。
本研究的主要亮点包括：（1）多模块串联设计实现了运动性能的叠加与刚度的整体调控；（2）颗粒阻塞机构与流体驱动器的无缝集成解决了软体机器人“柔顺与力量不可兼得”的关键矛盾；（3）末端集成的定制气动夹爪与微型摄像头使操作臂具备了实际执行手术相关任务的能力；（4）理论模型与实验结果的对比验证为后续优化设计提供了可靠的分析框架。