这是一篇关于用于微创手术的纤维增强软体机械臂的研究论文，由Junshi Zhang、Lei Liu、Yuyu Chen等作者共同完成，主要研究机构包括西北工业大学、西安理工大学、西安交通大学、清华大学、香港城市大学等。该论文于2021年10月20日发表在期刊 Cell Reports Physical Science 上，题为“Fiber-reinforced soft polymeric manipulator with smart motion scaling and stiffness tunability”。

一、研究背景与目的

微创手术作为一种新兴的临床治疗方式，因其切口小、出血少、疼痛轻、并发症少和术后恢复快等优点，正逐渐成为外科手术的主流方向。未来微创手术的一个重要发展趋势是通过人体自然腔道进入体内进行操作，这对手术器械提出了更高的要求：必须具备多个连续自由度、可靠的机械稳定性以及对活体组织的无损伤接触能力。然而，目前临床中广泛使用的微创手术机械臂——例如达芬奇手术系统——通常采用刚性直臂结构，无法主动变形或弯曲，这在一定程度上限制了其在复杂、狭窄和弯曲的人体腔道中的导航与操作能力。软体机器人因其理论上具有无限自由度、高度的环境适应性和柔顺接触特性，为这一问题提供了潜在的解决方案。然而，软体机器人也存在刚度不足、输出力有限和运动精度较低等固有缺陷。因此，如何在保持柔顺变形能力的同时实现刚度的可调性，是该领域面临的核心挑战之一。本研究旨在设计并制造一种能够主动变形、在狭窄受限环境中导航，并具备刚度可调、震颤过滤和运动缩放功能的软体机械臂，以克服现有刚性手术器械在微创手术中的局限性。

二、研究方法与实验流程

该研究的整体流程包括软体机械臂的结构设计与制造、性能优化策略的制定、弯曲角度与输出力的测量、刚度可调性与运动缩放性能的测试、操作精度的评估、基于遥操作的导航与药物递送实验，以及人体器官自主识别与跟踪系统的开发。

在设计与制造环节，研究团队提出了一种由三个单元组成的分段式软体机械臂：尖端单元、中间单元和根部单元。三个单元的直径依次增大，分别承担不同的功能。每个单元为同心管状结构，由内部气动驱动器和外部基于纤维的刚度可调护套组成。内部驱动器采用Dragon Skin 30硅胶作为基体，内部包含三个以120°径向间隔均匀分布的扇形腔室，内部衬有聚二甲基硅氧烷内衬，中心留有圆形通道供气路和手术器械通过。为了防止硅胶腔室在气压作用下发生不希望的各向膨胀，研究者设计了双螺旋结构的尼龙纤维约束层。刚度可调护套则利用纤维堵塞机制，通过真空使外部大气压挤压纤维，增加纤维间的摩擦力，从而实现结构刚度的提升。制造过程中，纤维通过绕线机均匀排列，形成纤维环并反向交叉重叠地安装在内部驱动器表面，最后用Ecoflex 0020硅胶膜密封以形成真空环境。三个单元组装后形成具有九个气动驱动通道和三个真空刚度调节通道的集成机械臂。

在性能优化策略方面，研究者比较了不同硅胶材料，最终选择邵氏硬度为A30的Dragon Skin 30作为气动驱动器材料。通过Abaqus 6.14有限元分析，比较了圆形、扇形、矩形、半圆形和三角形等不同腔室形状对弯曲性能的影响，发现扇形腔室在相同压力下具有最大的弯曲角度。此外，研究者制造了三种不同直径和腔室尺寸的驱动器样品，并测量了它们在120 kPa压力下的弯曲角度和输出力。实验结果表明，随着直径增大，弯曲角度减小而输出力增加，因此选择直径15 mm、19 mm和23 mm的单元分别作为尖端、中间和根部单元。对于纤维排列模式，研究比较了同向排列、反向排列和反向交叉重叠排列三种方式，发现反向交叉重叠排列在90 kPa堵塞压力下具有最大的弯曲刚度。纤维分布密度的实验表明，当密度达到6根/毫米时纤维紧密排列，进一步增加密度会导致纤维自堆叠而对刚度提升效果有限，因此选择纤维直径为0.165 mm、分布密度为6根/毫米的反向交叉排列方式。

在弯曲角度与输出力测量中，研究者测定了三个单元的极限压力分别为170 kPa、210 kPa和230 kPa，并在安全工作压力范围内分别测量了单腔室和双腔室驱动下的弯曲角度与输出力。结果表明，弯曲角度和输出力均随加载压力的增加先缓慢上升后急剧增大，双腔室驱动的弯曲角度和输出力均大于单腔室驱动。

在刚度可调性与运动缩放测试中，研究者通过在堵塞压力为90 kPa的条件下使中间单元实现了水平自支撑并承受100 g额外质量，而卸载堵塞压力后立即塌陷，直观展示了刚度可调能力。对三个单元在90 kPa堵塞压力下的弯曲刚度测量表明，其刚度分别提高了7.36倍、6.38倍和5.72倍。震颤过滤能力通过引入正弦气压干扰来模拟组织碰撞，结果表明在90 kPa堵塞压力下弯曲变形幅度约为3 mm，而无堵塞压力时扩大至14 mm。运动缩放能力通过调节堵塞压力实现，在10 kPa、20 kPa和30 kPa堵塞压力下，机械臂弯曲角度与手柄弯曲角度的比值分别约为0.46、0.32和0.21。

在操作精度评估中，研究者建立了基于改进的Denavit-Hartenberg方法的运动学模型，并利用激光跟踪仪和坐标测量机测量了操作空间和定位误差。最大操作空间近似为一个长轴430 mm、短轴180 mm的半椭球体。在8个目标点的定位测量中，除一个点误差为3.94 mm外，其余误差均在2 mm以内，平均误差为1.66 mm。通过在尖端安装笔进行蘸墨和标记靶圆的实验，在直径10 mm的靶圆中操作准确率约为83.3%，在直径30 mm的靶圆中达到100%。

在遥操作导航与药物递送实验中，研究者通过手柄遥操作控制软体机械臂穿过人体骨骼模型的自然腔道到达预设病灶部位。随后，在医用人体模型上进行了针灸治疗和体内药物递送的模拟实验。尖端安装了微型相机和穿刺针，通过手柄遥操作使机械臂从口腔进入模型体内，在相机引导下接近目标血管，施加堵塞压力使机械臂刚化后，借助刚性机械臂的推进运动完成穿刺和药物递送。

此外，研究者还开发了人体器官的自主识别与实时跟踪系统。以人体口腔为例，该系统能够在头部旋转或平移状态下准确识别面部和口腔位置，并实时跟踪口腔的运动轨迹，从而减少外科医生的手动操作负担。

三、主要结果与结论

研究结果表明，所提出的分段式软体机械臂具有良好的主动变形能力和刚度可调性能。三个单元的最大弯曲角度分别为164°、93°和84°，最大输出力分别为0.362 N、0.984 N和1.667 N。在90 kPa堵塞压力下，三个单元的弯曲刚度分别提高至自然状态的7.36倍、6.38倍和5.72倍。集成后的机械臂总长430 mm、总重160 g、平均直径22 mm，长度与直径比达到20:1。通过施加堵塞压力，机械臂能够实现震颤过滤和运动缩放功能，从而在手术过程中维持所需的位姿精度。运动学模型预测与实际条件具有合理的一致性，操作空间测量和定位精度实验证明了机械臂的可重复操作能力。遥操作导航实验证明了机械臂能够在人体骨骼模型的狭窄腔道中实现主动弯曲导航，完成了传统刚性直臂难以实现的介入操作。在人体模型上的针灸和药物递送实验进一步验证了机械臂在实际微创手术场景中的应用潜力。自主识别与跟踪系统的开发则为未来实现更加智能化的微创手术提供了技术基础。

四、研究意义与价值

从科学价值来看，本研究将纤维堵塞机制与分段式软体驱动器设计相结合，实现了软体机械臂在柔顺变形与结构刚化之间的可控切换，为软体机器人在医疗领域的应用提供了新的设计思路。与基于复杂控制策略实现刚度调节的达芬奇系统不同，该机械臂通过结构本身的特性实现了运动缩放等功能，体现了软体机器人独特的优势。从应用价值来看，该软体机械臂有望为难以触及的病灶部位提供一种新的遥操作微创手术模式，尤其适用于通过自然腔道进入体内的手术场景。其在人体骨骼模型和医用人体模型上的成功演示表明了该技术在临床实践中的可行性和潜在价值。

五、研究亮点

本研究的主要亮点包括：设计了一种能够在狭窄受限环境中主动导航的软体机械臂；探索并实现了刚度可调性、震颤过滤和运动缩放三种功能；通过手柄遥操作在人体骨骼模型中实现了导航；在医用人体模型上完成了针灸治疗和体内药物递送；开发了人体器官的自主识别和实时跟踪系统。这些成果共同构成了一个完整的软体机械臂微创手术技术框架，为未来微创医疗器械的发展提供了重要的理论和实验基础。