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本研究由Prabhat Kumar和Bhallamudi Ravi共同完成，分别来自美国加州大学旧金山分校神经外科系和印度理工学院孟买分校机械工程系。该研究发表于期刊 *the international journal of medical robotics and computer assisted surgery*，文章于2026年4月13日投稿，2026年7月1日被接收，并作为开放获取文章发表。

该研究属于微创手术器械与医疗机器人领域，核心目标是解决传统腹腔镜器械在狭窄解剖空间中的灵活性不足问题。常规腹腔镜器械通常只具备四个自由度，难以完成缝合、剥离和三角定位等复杂操作。虽然机器人平台和手持式关节器械能够提高器械末端的灵活性，但其往往依赖刚性关节、复杂的腱驱动系统或电机驱动，导致机械复杂度高、成本昂贵、消毒维护困难。现有技术路线可归纳为三类：基于刚体的关节机构、基于缆绳-滑轮的关节机构以及柔顺机构。刚体机构运动学可预测、刚度高，但零件众多且存在磨损与回差问题；缆绳-滑轮机构结构紧凑，却存在迟滞、摩擦和绳索松弛等非线性问题；全柔顺机构虽然减少了运动副，但难以兼顾大角度弯曲和高负载夹持。因此，该研究旨在设计并验证一种混合柔顺-腱驱动腹腔镜器械，在一个5毫米直径的器械外形内同时实现大角度末端关节运动和主动夹持功能。

该研究的整体流程包括设计、集成和实验验证三个阶段。设计阶段以前期工作为基础，前期研究使用基于应变能的拓扑优化框架和伪刚体模型合成了柔顺腕部节段，通过非线性有限元分析验证了其变形能力。在本研究中，器械的功能需求被设定为：至少10牛的夹持力、外形直径不超过5毫米、关节运动与夹持功能相互独立，以及在安全应变范围内可重复使用。系统由三个子系统组成：由超弹性镍钛诺制成的远端柔顺关节节段、腱-滑轮驱动的夹钳机构，以及近端驱动输入。关节运动通过推拉杆的差动位移实现，夹持则通过腱位移驱动颌部旋转完成。夹持系统的力传递模型显示，夹持力与腱张力成正比，并通过颌部杠杆比进行放大；在关节弯曲时，由于腱的弯曲路径引入传输效率参数η，用于描述弯曲角度对夹持力的影响。为了选择夹持机构，研究对刚体连杆机构、单腱夹钳和双层滑轮机构进行了矩阵评分，评分标准包括与高角度关节运动的兼容性、机构复杂度、夹持力以及尺寸可制造性。最终双层滑轮机构以15分（满分20分）被选中。随后进行了夹钳的非线性有限元分析，将夹钳建模为悬臂梁，在颌尖施加15牛载荷，固定铰链区域。网格收敛性研究表明0.26毫米的网格尺寸可在精度和计算效率之间取得最佳平衡。分析结果显示最大冯·米塞斯应力约为200兆帕，低于碳化钨约350兆帕的屈服强度，表明结构安全。

在原型制造与实验验证阶段，研究者比较了金属增材制造和电火花线切割两种工艺，最终选用电火花线切割制造夹钳原型，因为增材制造原型缺乏有效夹持组织所需的锋利颌缘。完整器械包括夹钳、柔顺关节机构、驱动杆、腱驱动系统、腱导向器和定位部件。柔顺节段由超弹性镍钛诺制成，夹钳由316L不锈钢加工，驱动杆为Ti-6Al-4V钛合金。腱采用直径0.5毫米的1×7股不锈钢缆绳。实验验证分两步进行：首先单独表征柔顺关节节段，然后测试完整集成器械。关节实验在平面双轴测试系统上进行，使用数字图像相关相机测量变形。对镍钛诺和Ti-6Al-4V两种材料分别进行了重复性评估和加载-卸载实验。镍钛诺的平均偏差为3.65%，Ti-6Al-4V为2.64%；卸载后的残余偏差分别为0.015毫米和0.04毫米。输入力表征实验中，镍钛诺最大驱动力为28牛，最大弯曲角度75°；Ti-6Al-4V最大驱动力36牛，最大弯曲角度48°。实验与有限元预测的平均误差分别为6.47%和7.32%。

夹持力测量采用两种方法：使用力敏电阻传感器直接测量不同腱位移下的接触力，以及夹持软硅胶组织模拟物后进行牵拉测试。集成器械在中立位置产生最大夹持力13.2±0.47牛，随着弯曲角度增加，夹持力减少约11%，在最大测试弯曲角对应的传输效率约为0.89。拉出强度实验使用四种不同邵氏硬度的硅胶聚合物制成3毫米厚试样。结果显示拉出力随材料硬度增加而增加，损伤-滑动比达到9。整个实验在准静态加载条件下进行，施加的最大载荷为15牛，代表保守的临床上限。

研究的结论表明，所提出的混合柔顺-腱机构能够在一个5毫米腹腔镜器械内同时实现柔顺关节运动与腱驱动夹持。柔顺节段最大弯曲达75°，重复性良好，迟滞极小；夹持力达到13.2±0.47牛，且在弯曲状态下仍保持足够性能。该设计将关节运动与力传递功能分离，降低了机械复杂度，同时保持了手术操作所需的灵活性。与现有商业关节器械相比，该设计在夹持力、传输效率和机械复杂度之间实现了均衡优化。研究的主要亮点包括：将柔顺关节与腱-滑轮夹持机构集成在5毫米外形内；使用数字图像相关和非线性有限元分析对柔顺节段和集成原型进行定量验证；并在实验中证实了约89%的力传输效率。研究仍存在局限：所有测试均在台架条件下使用机械和组织模拟物完成，未进行体内实验；实验验证仅限于平面关节运动；未进行长期疲劳测试。未来工作将集中于优化腱路径效率、改进颌部几何形状、在更真实的手术条件下评估器械，并与机器人平台或先进手持系统集成。

该研究的科学价值在于提供了一种功能分离的设计框架，使柔顺关节与负载夹持可以在微型器械中协同工作。其应用价值在于为资源受限或一次性手术器械提供了一种低复杂度、可制造的设计思路，对微创手术器械的进一步小型化和低成本化具有参考意义。