本篇章选自 *Handbook of Robotic and Image-Guided Surgery*（Elsevier，2020）中的第19章，作者为 Sheila Russo，来自 Boston University。该章系统介绍了面向微创手术机器人的智能复合材料与混合软折叠技术，并结合两个具体的研究案例展开论述。全文内容属于对研究团队所开发的两种手术机器人平台的技术性综述与设计阐述，而非单一实验研究报告，因此本报告按照类型b进行介绍。

本章的核心主题是如何通过新型材料与制造方法，克服当前微创手术器械在远端灵活性、力反馈和操控精度方面的根本性局限。传统微创手术虽然创伤小、恢复快，但由于内窥镜等器械需要在狭长且弯曲的自然腔道中导航，其远端执行器往往缺乏足够的自由度与触觉反馈。这一矛盾在经尿道激光前列腺手术与胃肠道内镜黏膜下剥离术（endoscopic submucosal dissection, ESD）等操作中尤为突出。作者提出，将智能复合材料（smart composites）、软体机器人技术以及受折纸（origami）和剪纸（kirigami）启发的折叠结构相结合，能够制造出兼具柔性安全交互和刚性精确传力的毫米级手术末端执行器。

文章首先介绍了微创手术机器人的临床背景。开放式手术能够为医生提供充分的视觉与触觉信息，但对患者造成的创伤较大。微创手术（minimally invasive surgery, MIS）通过小切口或自然腔道进入体内，显著减少了术后疼痛与恢复时间。然而，目前用于胃肠道的内窥镜及用于泌尿外科的切除镜（resectoscope）大多是长而直的刚性器械，只能沿纵轴平移或旋转，难以提供手术部位的灵活操作能力。此外，这些器械普遍缺乏嵌入式传感，医生无法获得组织接触力等关键信息。文章指出，现有制造方式如计算机数控加工（CNC）、电火花加工（EDM）和激光切割等，在毫米级复杂三维机构集成方面存在明显限制，难以同时实现驱动、传感与安全材料的集成。因此，作者所在团队尝试用“智能复合材料”和“混合软折叠”制造范式解决上述问题。

第二个主要观点是智能复合材料在机器人导管中的应用。作者设计了一种直径仅为2.1 mm的柔性导管状机器人，用于经尿道激光辅助前列腺手术。该导管通过商业切除镜的工作通道进入前列腺区域，内部集成一根直径1 mm的侧向发射激光光纤，以及六个沿周向分布的小腔道，分别用于穿过驱动缆线和光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）传感器。导管主体材料为聚酰胺12（PA12），其杨氏模量为1.1 GPa，兼顾了柔性与应变传递能力。三根驱动缆线以120度间隔布置，通过无刷直流电机牵引，实现导管末端在两个自由度上的弯曲。导管末端固定有一块由CNC微铣削制造的金属板，用于分散缆线拉力并避免应力集中。FBG传感器同样以120度间隔布置，通过对温度与应变的解耦，实现对接触力的实时监测。由于传感器位置距激光发射端约25 mm，温度变化可被有效补偿。该系统已在体外模型上与泌尿外科医生共同测试，证明其能够在模拟前列腺尿道内实现激光光纤的定向操控与组织接触监测。未来还需通过离体与在体实验进一步明确前列腺激光消融所需的最佳接触力与灵活度参数。

第三个要点是混合软折叠内镜机械臂。该技术受“弹出式书本MEMS”（pop-up book MEMS）制造方法启发，将多层刚柔复合层压板折叠形成三维机构，并与软光刻技术结合，制造出可嵌入传感与驱动的毫米级机械臂。与传统软体机器人常用的Ecoflex或Dragon Skin等硅胶材料不同，该研究选用具有生物相容性的Nusil硅胶弹性体（MED4-4220与MED-6033），以适应医疗应用需求。结构层由254 µm厚的纤维增强环氧树脂片构成，柔性层为25 µm厚的聚酰亚胺薄膜，两者之间通过生物相容性医用压敏胶（3M 9877）粘接。软流体微致动器通过软光刻与激光加工制造，并利用氧等离子体与氨基硅烷偶联剂（APTES）实现软硬层之间的不可逆化学键合。这种制造方法不需要手工装配离散零件，能够实现批量化制造，并支持在5 mm、2.5 mm和1.25 mm等不同尺度下加工。与全软体弯曲致动器相比，混合软折叠致动器的运动轨迹更接近理想圆弧，具有更高的运动可预测性。

在传感方面，该系统在驱动器中嵌入电容式传感元件，包括沿致动器两侧延伸的导电迹线以及位于软气囊顶部和底部的导电板，用以实现本体感觉驱动（proprioceptive actuation）。导电材料为铜，但作者指出可替换为金以进一步提高生物相容性。实验表明，传感元件的加入不会影响驱动器的力学功能，并给出了弯曲角度与压力之间的特性曲线。作为应用验证，研究团队将一种三自由度软折叠机械臂集成到柔性内窥镜末端，仅使内窥镜直径增加1.8 mm（原直径为13.3 mm）。该机械臂由一个四杆机构、偏航自由度与俯仰自由度组成，通过软流体微致动器驱动。其安装在现有内窥镜外部，不占用工作通道，因此可以在手术过程中随时使用电灼刀等其他工具。离体猪胃实验显示，该机械臂能够在胃内进行组织反向牵引（countertraction），为ESD提供组织抬升的替代方案，从而减少医生在注射针与电刀之间的反复切换，有望缩短手术时间并降低学习曲线。

此外，作者还介绍了软折叠技术在厘米尺度上的扩展应用，包括用于内窥镜稳定的展开式支撑结构，以及用于组织牵开的可展开机构。这些装置通过集成薄膜塑料与折纸结构，能够在充气后形成刚性支撑或组织抓持结构，且不干扰内窥镜末端运动。文章强调，软体手术机器人代表了从硬质机器人向材料驱动型机器人的范式转变，其功能在很大程度上依赖于材料本身的特性以及制造方法。未来研究可进一步探索多材料复合、新型传感策略以及可降解或可植入式软机器人等方向。

总体而言，本章的价值在于展示了两种不同的毫米级手术机器人平台在泌尿外科与胃肠外科中的潜在应用。第一种平台利用智能复合导管结构，解决了激光前列腺手术中接触监测与远端操控的问题；第二种平台则通过混合软折叠制造方法，实现了可嵌入传感与驱动的多自由度微型机械臂，为ESD等复杂内镜手术提供了新的器械方案。两者的共同特点在于：均采用生物相容性材料，均能与现有内窥镜系统兼容，并且都强调在不破坏手术流程的前提下增强末端灵活性、传感反馈与操作精度。这些技术为未来更安全、更小型化、更智能化的微创手术机器人发展提供了重要参考。