本文报道了一项关于受螺旋结构启发的刚度可调软体致动器（stiffness-tunable soft actuator, STSA）的原创研究。该研究由清华大学医学院生物医学工程系的戴尚祺、胡成权、马龙飞、张欣然、张辉和廖洪恩（通讯作者）共同完成，发表于 *International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery*（2023年第18卷第1625–1638页），于2023年5月13日在线发表。
一、研究背景与目的
该研究属于医疗机器人、软体机器人与微创手术器械交叉领域。传统微创手术（minimally invasive surgery, MIS）虽然具有创伤小、恢复快等优点，但刚性器械在狭小、脆弱的人体腔道内操作时容易造成组织损伤，且灵活性有限。软体机器人因其高柔顺性和环境适应能力而受到关注，然而纯软体材料刚度低，难以提供足够的负载能力和操作稳定性。已有刚度调节方法包括低熔点合金、磁流变材料、颗粒阻塞结构等，但分别存在形状保持困难、需要强磁场或高电压、依赖高气密性以及牺牲柔顺性等问题。热塑性聚合物（thermoplastic polymer, TP）因其可塑性好、模量变化范围宽且能在低刚度下保持形状而成为有前景的刚度调节材料。然而，已有基于TP的软体致动器往往只能实现单方向弯曲，或者转变温度过高（如60°C）、响应时间过长，限制了其在体内应用的可能。
针对上述问题，本研究旨在开发一种既能在安全温度范围内实现宽范围刚度调节、又保持软体致动器固有柔顺性的新型器械，以提高软体机器人在微创手术中的负载能力、操作稳定性和临床适用性。研究团队从螺旋弹簧结构中获得灵感，设计了一种对称双螺旋热塑性树脂结构（thermoplastic resin structure, TPRS），并与硅胶软体致动器集成，形成了STSA。
二、研究设计与工作流程
本研究的主要工作包括STSA的结构设计与制造、TPRS材料与结构优化、温度控制系统开发、驱动系统搭建以及性能测试与仿体实验验证。整体研究流程可划分为五个相互关联的环节。
首先，在STSA的整体设计上，研究团队构建了一套集成式外科机器人系统。该系统由温度控制系统、气动或腱驱动系统以及电磁跟踪装置组成。STSA主体由硅胶制成，内部空腔容纳TPRS作为刚度调节核心。TPRS为空心圆柱结构，其内部中空区域可作为手术器械通道；同时，STSA中均匀分布三条气动管道用于气压或腱驱动，能够实现全向弯曲。此外，还预留了可扩展腔室以容纳内窥镜、照明等设备。为了抑制径向膨胀，弹性纤维线缠绕在致动器表面；外部的限位块用于约束相对滑动和纵向伸长。STSA采用多段拼接的模块化设计，以提高可扩展性并降低集成成本。
第二，在TPRS的材料与结构设计上，研究团队首先比较了多种热塑性聚合物，基于玻璃化转变温度和热变形温度，选定DSM Somos Image8000树脂材料。该材料的热变形温度范围为35–40°C，能够在45°C以下实现刚度转变，并且具备良好生物相容性，适合3D打印制造。在结构设计上，团队从弹簧中汲取灵感，采用对称双螺旋结构取代单一螺旋，以克服单螺旋在垂直载荷下易发生旋转压缩变形的问题，同时增强水平载荷下的侧向刚度。所选螺旋的螺距为5 mm，两螺旋相位差为180°，外径20 mm，内径8 mm。通过有限元模拟，将该结构与孔结构和框架结构进行了弯曲柔顺性对比。在相同力矩作用下，对称双螺旋结构表现出优于其他两种结构的弯曲柔顺性；在集中力和外部压力条件下，其形状保持能力也更强。理论分析方面，研究者利用悬臂梁模型推导了最大弯曲角度和最大位移的计算公式，并引入线性系数将空心圆柱的惯性矩换算为TPRS结构的等效惯性矩，指出结构的抗弯性能变化倍数取决于材料模量变化倍数，而不同结构则决定抗弯性能的上下限，这为聚合物结构设计提供了理论依据。
第三，在制造工艺方面，软体部分采用3D打印模具进行硅胶浇铸成型，制造过程中重点考虑了气密性和外径与气室分布的优化。TPRS则通过3D打印制造，并在表面设计了凹槽以嵌入电阻丝和水冷管，确保其不突出并影响装配。将润滑后的TPRS直接插入软体部分预留的中心通道并用紧固件固定，完成STSA的组装。当采用腱驱动时，插入特氟龙管以保持腱道形状并抑制压缩变形。
第四，在温度控制与驱动系统方面，研究团队搭建了由可编程直流电源和半导体制冷器组成的温度控制系统，采用焦耳加热方式实现快速加热，并通过PID算法调节输出电流。在STSA内植入多个温度传感器以实现分布式温度测量，确保控温可靠性。经过不同电流下的加热时间对比，确定1.5 A为安全且高效的上限电流，此时加热至45°C仅需约5 s，工作电压约30 V，处于人体安全电压范围内。冷却方面，采用0.6×1.2 mm的透明硅胶管通入4°C循环水，将冷却时间从自然冷却的300 s缩短至50 s。驱动系统采用气泵配合电磁阀和气压传感器，通过单片机实现压力实时监测与调节。气泵选用蠕动泵以减小脉动，提高小流量下的压力控制精度。
第五，在性能测试与仿体实验中，研究团队进行了力-位移测试、振动稳定性分析和两类临床场景模拟。力-位移测试平台由测力计和游标卡尺搭建，在不同温度和弯曲角度下以1 mm为步长测量STSA的力-位移曲线。振动稳定性分析中，利用电磁传感器（NDI Aurora）测量器械递送过程中致动器前端的位移，并绘制偏移图和区间图。腹腔镜模拟实验采用单段气动STSA，将其通过切口送入模型，完成激光消融和手术钳抓取等操作；支气管镜模拟实验则采用直径8 mm、单段长度100 mm的腱驱动STSA，将三段STSA串联并由UR机器人操作，通过Xbox控制器简化医生操作，最终成功将STSA导航至支气管模型的分叉区域并通过器械通道递送手术工具。
三、主要实验结果
实验结果显示，STSA在温度变化过程中可实现最大30倍的刚度调节范围，同时保持软体致动器的柔顺性。力-位移曲线表明，随着温度升高，TPRS模量下降，STSA进入软模式；冷却后模量升高，STSA进入刚性模式，从而显著提升负载能力和形状保持稳定性。在振动测试中，与纯软体致动器（pure soft actuator, PSA）相比，STSA在器械递送过程中的前端位移明显更小，表明其操作稳定性显著提高。这一结果为后续仿体实验中的精确操作提供了基础。
在腹腔镜模拟实验中，单段气动STSA能够通过器械通道完成激光消融和手术钳抓取，同时刚性内窥镜与STSA内置内窥镜可并行提供实时图像引导，验证了STSA在多器械协同操作中的可行性。在支气管镜模拟实验中，三段腱驱动STSA在UR机器人辅助下成功通过气道模型的分叉区域，并通过弹簧管实现了远距离腱驱动。Xbox控制器的引入提高了操作直观性，证明了STSA可在狭小腔道内完成复杂导航和器械递送。
此外，TPRS结构仿真结果表明，对称双螺旋结构在相同力矩、集中力和外部压力条件下均表现出更好的弯曲柔顺性和形状保持能力，这为后续刚度调节范围和柔顺性保留提供了结构基础。温度控制实验表明，PID控制可实现快速、稳定的加热，1.5 A电流下加热时间约5 s，水冷系统将冷却时间缩短至50 s，这些参数满足了快速响应的需求，并为后续刚度调节性能的测定提供了稳定的温度条件。然而，50 s的冷却时间仍无法满足完全实时的临床需求，这是当前方法的局限之一。
四、结论与应用价值
该研究成功开发了一种基于硅胶体和热塑性树脂结构的刚度可调软体致动器STSA。实验证明，STSA能够在保持柔顺性的同时实现30倍的刚度调节范围，并且可在45°C以下安全完成刚度转变，避免对人体组织造成热损伤。STSA兼具柔性和刚性器械的优点，能够适应不同的临床场景，例如腹腔镜手术中的夹持与消融以及支气管镜手术中的腔道导航与器械递送。其直径可设计为8–10 mm，满足支气管镜的直径要求。此外，STSA的应用有望降低医疗器械成本，并具有临床推广潜力。
五、研究亮点
本研究的创新点主要体现在以下方面：其一，提出了一种受螺旋结构启发的对称双螺旋热塑性树脂结构，与常见的孔结构和框架结构相比，该结构在保持柔顺性的前提下实现了更宽的刚度调节范围，并可通过理论计算指导结构设计。其二，STSA能够在45°C以下实现刚度转变，且加热时间约5 s，冷却时间50 s，优于已有研究中180 s的响应时间，提高了临床应用的安全性。其三，STSA同时集成了器械通道、三驱动管道和可扩展功能腔室，具备模块化拼接能力，既可气动驱动也可腱驱动，展现出良好的功能集成性和临床适应性。其四，通过仿体实验验证了STSA在腹腔镜和支气管镜两种典型微创手术场景中的操作可行性，包括激光消融、组织抓取和气道导航等关键功能。
六、其他有价值的内容
研究还指出，TPRS结构并非理论上最优结构，未来可进一步利用有限元分析等方法优化设计。同时，控制系统中的冷却时间虽然较已有方法有所改善，但仍不能满足完全实时的需求，因此探索更高效的冷却方式是未来工作的重要方向。此外，未来计划探索热变形温度更低、模量变化范围更宽的热塑性材料，并优化结构设计和控制精度，以进一步拓展STSA在内窥镜检查和导管介入等更广泛的医疗操作中的应用。该研究还得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等多个项目的支持。