本报告基于发表于 IEEE Sensors Journal 2024年3月1日第24卷第5期的原创研究文章《Design of an Origami-Inspired Haptic Interface for Catheter Interventional Surgery》。该研究由华南农业大学工程学院的殷新春（Xuanchun Yin，通讯作者）、吴继平、严锦春，华南农业大学水利与土木工程学院的卢玉华，以及天津理工大学电气工程与自动化学院的宋宇（Yu Song，通讯作者）共同完成。研究得到了国家自然科学基金（项目号62103299和61773171）的资助。
学术背景与研究目的
该研究属于医疗机器人与触觉交互领域，主要针对导管介入手术（Catheter Interventional Surgery, CIS）中力/力矩触觉反馈缺失的问题。在远程操作的导管介入手术中，医生失去了与患者组织的直接接触，导致触觉信息丢失或失真，从而难以准确感知导管远端与血管壁的接触力、摩擦力和血液粘性阻力。传统触觉接口多采用电机、连杆和离合器等刚性机构，存在机械摩擦大、体积笨重以及刚性交互安全隐患。已有部分研究利用磁流变液等智能材料设计触觉接口，但电磁线圈发热或磁体分离机构笨重等问题限制了其临床应用。折纸（origami）结构具有可展开性、可扩展性、轻量化以及低摩擦等优点，在软体机器人和触觉接口领域已有探索，但在导管介入手术的力/力矩反馈场景中尚未得到充分开发。因此，本研究旨在设计一种基于折纸灵感的触觉接口（Origami-Inspired Haptic Interface, OHI），利用软体气动执行器（Soft Pneumatic Actuators, SPAs）和软体气动制动器（Soft Pneumatic Brake, SPB）分别提供力和力矩反馈，以克服传统刚性机构的不足，同时保持医生原有的导管操作习惯。
详细研究流程
研究首先完成了OHI的结构设计与制造。OHI的主要组成包括折纸机构（Origami-Inspired Mechanism, OIM）、软体气动执行器、软体气动制动器、激光位移传感器、旋转编码器和操作手柄。OIM采用改进的Yoshimura折纸图案，因为该图案能够在实现平移运动的同时不引入其他方向的额外运动（如径向运动或轴向旋转），满足导管轴向推拉操作的需求。为适应厚度折纸设计，研究者引入了膜技术和应变关节技术以处理关节厚度问题，并在顶点处设置切口以避免折叠干涉。OIM采用三明治结构，由厚度0.05 mm的Kapton折纸芯层、两层0.5 mm厚的PLA刚性平面外层和两层0.08 mm厚的3M 9075胶带中间层构成，以提高结构刚度并防止不必要的平面变形。OIM的位移范围设定为±30 mm。SPAs是集成在OIM中的软体旋转执行器，由Ecoflex 00-10硅胶和两块PLA刚性板组成，通过应变关节技术嵌入OIM折痕中，既能作为厚关节容纳结构，又能作为主动关节实现相邻平面绕折痕的相对旋转。SPA采用有限元分析优化壁厚参数，其制造工艺使用熔模浇注与牺牲模具法，内模为水溶性PVA，外模为PLA。SPB为Ecoflex 00-10材料制成的中空圆柱，内部有气室，输出轴穿过其中。充气时气室对输出轴产生均匀压力，基于库仑摩擦原理产生抵抗扭矩。SPB集成在OIM末端，实现线性运动与旋转运动的解耦。
在建模部分，研究者建立了三个核心模型。首先，通过静平衡方程建立了SPA输出扭矩模型。将SPA简化为对称三面硅胶结构，忽略重力和小变形，采用三参数Mooney-Rivlin超弹性模型描述Ecoflex 00-10的应力-应变关系。对前表面和两个侧表面分别建立张力模型，利用拉普拉斯方程和几何关系推导出压力与拉伸比之间的非线性方程，最终求解出给定输入压力下的输出扭矩。其次，将SPA等效为扭转弹簧，利用弹簧串并联理论推导OIM的输出力模型。原型结构由三组并联，每组六个SPA串联（n=6），等效刚度kt=3kt/n。通过几何关系建立位移与角度的关系，并考虑OIM的固有刚度，得到操作者所受力Foperator的解析表达式。最后，基于库仑摩擦模型建立了SPB的阻力矩模型，阻力矩Tr与输入压力pb成正比，公式为Tr=2πt_r_i²p_bμ_0，其中r_i为输出轴半径，t为气室长度，μ_0为动摩擦系数。
实验验证部分包含四项实验。第一项为单SPA输出扭矩实验，使用步进电机驱动的注射器系统提供低压气源，通过铰链-载荷单元平台测量不同压力（4-8 kPa）和不同输出角度下的扭矩。结果表明输出扭矩与压力呈线性关系，且随角度变化不明显，验证了理论模型的合理性。第二项为OIM输出力实验，首先测量OIM的固有刚度korigami，通过线性平台将OIM从初始位置拉伸至最高位置（30 mm）再压缩至最低位置（-30 mm），每次步进5 mm，结果证明固有刚度近似恒定，经线性拟合得korigami=0.268 N/mm。随后对三个气动系统同时施加不同压力，测量OIM在不同位置产生的输出力，结果显示输出力随压力线性增加且与预测模型吻合良好。第三项为SPB阻力矩实验，通过直流减速电机-扭矩传感器平台测量不同压力下的阻力矩，实验结果显示阻力矩与输入压力呈线性关系，与理论模型斜率一致，偏差主要来自系统摩擦和Ecoflex材料粘性表面导致的额外摩擦。第四项为OHI综合力/力矩性能测试，通过调节步进电机步距控制压力，测量操作手柄输出力和阻力矩在阶跃压力下的时间响应。结果显示输出力可达11.90 N，阻力矩范围为11.1至27.8 mN·m，力与力矩对压力的响应迅速且迟滞小，实现了良好的力/力矩解耦。
主要结果与逻辑关系
各阶段实验结果验证了SPA扭矩模型、OIM力模型和SPB阻力矩模型的准确性。单SPA实验发现超弹性硅胶材料的自恢复力在低压力下会引起实际扭矩与理论值的偏差，但随着压力增大（4-8 kPa），恢复力影响减小，实测与理论趋于一致。OIM实验表明不同位置下的压力-力曲线相互平行，差值正好对应OIM固有刚度在所对应位移下产生的力，这验证了模型中将SPA等效为扭转弹簧并叠加固有刚度项的合理性。SPB实验发现实际阻力矩曲线与理论曲线存在固定偏差，归因于系统摩擦和材料粘性，因此扭矩无法从零开始。综合实验显示输出力和阻力矩对压力阶跃响应具有较低迟滞且重复性良好，输出力平均标准差为0.12 N，阻力矩平均标准差为0.3 mN·m，力和力矩的平均分辨率分别为0.12 N和0.1 mN·m，满足导管介入手术对力反馈分辨率（0.1 N）的要求。力的范围不仅满足经皮冠状动脉介入治疗（Percutaneous Coronary Intervention, PCI）所需的0-2 N范围，还可用于需要更大插入力反馈的冠脉插管等操作。
结论与价值
本研究成功设计并制造了一种基于折纸灵感的软体气动触觉接口OHI，能够为导管介入手术提供力/力矩反馈。OIM通过折纸折叠关节降低摩擦和运动惯性，SPAs和SPB分别驱动接口并产生触觉反馈。推导的SPA输出扭矩模型、OIM输出力模型和SPB阻力矩模型均通过实验验证，结果显示模型预测与实验结果吻合良好。OHI可产生并控制最大14.4 N的触觉力和最大27.8 mN·m的阻力矩，其力/力矩范围可进一步扩展以满足其他需要更大插入力和旋转力矩反馈的应用。该接口利用软材料在外载荷下的被动自适应变形特性，保证了人机交互的柔顺性和安全性。科学价值在于提出了一种利用折纸结构与软体气动驱动相结合设计力/力矩触觉接口的新方法，并建立了系统的解析模型；应用价值在于为远程导管介入手术提供了一种保留医生操作习惯、低摩擦、轻量化且安全的触觉反馈解决方案。
研究亮点
研究的创新点主要体现在三个方面：其一，首次将折纸结构引入导管介入手术的力/力矩触觉接口设计中，利用Yoshimura折纸图案实现纯平移运动并避免附加运动；其二，软体气动执行器兼具折纸应变关节和主动驱动双重功能，实现了结构与驱动一体化设计；其三，建立了从SPA超弹性材料模型到OIM等效扭转弹簧模型再到SPB库仑摩擦模型的完整分析框架，为基于压力控制的力/力矩输出提供了理论依据。
其他有价值内容
研究还指出当前气动系统压力刷新率较低（1 Hz），接近医生操作频率（1-2 Hz）的下限，未来可通过更换为更高效的商用低压气动系统来提高刷新率，以保证触觉反馈的平滑性和实时性。此外，未来计划将OHI应用于远程导管手术系统，在从端操作导管并进行相关体模实验以验证其临床可用性。