本研究由苏州大学机电工程学院的张寅、陈明宏及苏州大学附属儿童医院心胸外科的廖建毅、李炘等合作完成，通讯作者为金国庆。该研究成果于2022年10月被 The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery 接收，并于2023年正式发表（doi: 10.1002/rcs.2467），论文标题为《A multi‐module soft robotic arm with soft actuator for minimally invasive surgery》。
该研究属于软体机器人（soft robotics）与微创心脏外科（minimally invasive cardiac surgery）的交叉领域。微创手术自20世纪80年代腹腔镜胆囊切除术开展以来，因其创伤小、术中出血少、术后疼痛轻、住院时间短等优势，被认为是第二代外科技术。然而，目前大多数微创手术器械仍为刚性结构，自由度（degrees of freedom）有限，难以在人体内部狭窄空间中灵活到达复杂部位，尤其在心脏手术中，刚性器械与组织器官接触时存在较高风险。针对这一问题，该研究旨在开发一种由完全柔性材料制成的多模块软体机械臂，用于修复房间隔缺损（atrial septal defect, ASD）等心脏手术，以降低组织接触创伤并提高操作的灵活性。
该软体机械臂总长195 mm，直径20 mm，由四个功能模块组成：弯曲模块（bending module）、转向模块（turning module）、伸缩模块（stretching module）和夹持模块（gripper module）。三个运动模块均为半圆柱形，直径20 mm，长度65 mm，中心具有直径16 mm的半圆形空腔。所有模块的主体材料均采用Ecoflex 0050硅胶，并通过气动管路（pneumatic pipelines）连接。弯曲和转向模块由单根纤维线缠绕加固，伸缩模块则采用两根纤维线对称交叉缠绕；转向和伸缩模块的纤维线与主体垂直面呈20°偏角。这种纤维缠绕设计能够限制软体执行器在充气时发生过度的径向膨胀，并增强其刚度。夹持模块分为两类：梯形空腔软体执行器（trapezoidal cavity soft actuator）用于向下弯曲以抓取物体，其长、宽、高分别为30 mm、15 mm和8 mm；孔收缩软体执行器（hole shrink soft actuator）为圆柱形结构，内部包含方形和星形空腔，中心有直径3 mm的孔，通过充气使星形空腔收缩以夹持手术工具。
制造工艺方面，该研究采用3D打印技术，包括直接墨水书写（direct ink write, DIW）和熔融沉积成型（fused deposition modelling, FDM）两种方式。DIW用于直接制造柔性执行器，FDM用于制造机械臂模块模具。以伸缩模块为例，其制作分为四步：首先用Ultimaker 3打印机打印外部模具并组装；其次在模具表面喷涂油性橡胶脱模剂，将1:1配比的Ecoflex 0050硅胶注入模块；再次将模块放入烘箱加热固化，脱模并修剪边缘后得到半圆柱形软体执行器；最后在空腔表面凹槽内顺时针缠绕Kevlar线，并再次浇注硅胶形成10 mm厚薄膜以固定纤维线。弯曲和转向模块采用相同工艺制造。梯形空腔软体执行器由弹性材料制成的主体和应变限制材料制成的底层分别模制后粘合而成。孔收缩软体执行器的制作包括将液态硅胶注入圆柱形外壳固化、缠绕Kevlar线、以及浇注硅胶薄膜固定纤维线并密封底部三个步骤。所有模块最终通过734液体密封胶粘接，并依次将各模块插入硅胶管中完成气动管路集成。
在实验部分，研究者首先对纤维缠绕对模块变形的影响进行了仿真分析。结果显示，无纤维模块在充气时会出现明显的不规则膨胀，而有纤维缠绕模块能够按照预期方向产生弯曲、转向或伸缩运动。随后对每个模块进行了5组实验测试，在0–160 kPa气压范围内测量角变形量并取平均值。结果表明，弯曲模块的最大弯曲角度为88.8°，伸缩模块的最大伸长距离为31.6 mm，转向模块的最大转向角度为90.6°。实验过程中出现了一定的参数耦合现象，即弯曲和转向过程中伴随轻微伸长，伸缩过程中也伴随轻微弯曲和转向。在z轴方向拉伸位移测试中，每个模块在0–140 kPa范围内测量了8个不同位置。各模块在20 kPa低压下即可产生拉伸变化，弯曲模块最终伸长量为11 mm，转向模块为18 mm，伸缩模块为24 mm，三模块总伸长量约为52 mm。在运动空间范围测试中，分别测量了0–140 kPa范围内的13个不同压力值。单一模块运动时，伸缩模块的覆盖空间约为5 mm × 20 mm；仅激活转向模块时覆盖面积较大；仅激活弯曲模块时可到达空间进一步扩大。由于重力影响，弯曲模块的运动空间大于转向模块。在最大压力下，机械臂可运动达52 mm，弯曲角度为89°。
夹持器的性能测试中，开启角度测试在0–70 kPa范围内测量了14个点，开启角度随压力呈近似线性增加，在65 kPa时达到最大夹持角度136°，此后保持不变。拉伸力测试在0–50 kPa范围内测量了9个点，拉力值同样随压力线性增加，在35 kPa时达到最大夹持载荷2.8 N并保持恒定。实验中选用空气压缩机作为动力源，通过电-气比例阀（electro-pneumatic proportional valves）和电压信号发生器控制气压，四根气路可同时充气。此外，夹持器成功抓取了不同尺寸和形状的物体，验证了其夹持能力。
该研究最终将多模块软体机械臂应用于一例房间隔缺损修复心脏手术中。房间隔缺损分为膜周型（perimembranous）、肌部型（midmuscular）、动脉下型（subarterial）和后下部型（posterior inlet）等类型。手术中，机械臂需在心脏内部夹持缝合针，并通过三个运动模块的协同运动到达指定位置。术前进行了消毒和必要的准备，如床旁二维超声心动图或心包穿刺。术中内镜视野显示，软体机械臂能够通过模块间协调运动到达房间隔缺损手术区域，并在整个手术过程中高稳定性地夹持缝合针。该手术验证了该软体机械臂在心脏手术中到达指定手术区域的可行性及其灵活性和功能性。
该研究的结论指出，所提出的多模块柔性软体机械臂具备弯曲、转向和伸缩等多种运动模式，具有高灵活性，能够在心脏手术中到达指定手术区域以修复房间隔缺损。机械臂的执行器完全采用软硅胶材料替代刚性材料，减轻了手术过程中对器官的接触创伤。同时，柔性机械臂本身具有生物相容性，无需考虑对患者的二次伤害，能够减轻医生和患者的压力水平。此外，该机械臂能够适应更复杂的地形约束，比传统刚性工具到达更远的区域。
该研究的亮点在于：首次将完全由柔性硅胶材料制成的多模块软体机械臂应用于房间隔缺损修复的心脏手术中，并通过实际手术验证了其可行性和功能性；提出了弯曲、转向、伸缩三种运动模块与梯形空腔夹持器和孔收缩夹持器的集成设计方案；采用纤维缠绕增强技术，有效限制了软体执行器的径向过度膨胀，提高了执行器的刚度和运动精度。未来研究方向将集中于机械臂的小型化、控制系统与控制算法的优化以及传感器集成等方面，以适应更复杂的手术操作需求。