本研究由浙江大学机械工程学院流体动力与机电系统国家重点实验室的王云江、崔鲁航、肖璇、杨克己、金浩然，以及浙江大学医学院附属第二医院神经外科的胡新奔、朱永坚等人合作完成。论文于2024年1月23日在线发表于《Nature Communications》期刊，题为“Bioinspired handheld time-share driven robot with expandable DOFs”。该研究受蛇类脊柱结构与神经—肌肉—血管关系的启发，提出了一种分时驱动（time-share driven）机制，利用单个电机驱动多个串联弯曲模块（bending module, BM），实现便携式手持机器人自由度（degrees of freedom, DOF）的可扩展性。
本研究的学术背景源于对软体机器人与连续体机器人在受限空间内实现多自由度运动的长期探索。传统连续体机器人通常需要为每个运动单元配置独立电机，导致系统体积庞大、成本高昂、控制复杂。近年来兴起的“最少驱动”（minimally actuated）策略试图通过移动执行器、中央分配机构或形状锁定等方式减少驱动源数量，但这些方案在模块化、传输效率与独立性方面仍存在不足。本研究的目标是在保持模块化与低成本的前提下，通过单一电机实现多个弯曲模块的独立控制，以满足经自然腔道微创柔性手术（minimal invasive flexible surgery, MIFS）对轻量化、高灵活性器械的需求。
研究的设计与实现围绕三个基本原则展开：通用传动（universal transmission）、状态保持（state keeping）与选择性响应（selective response）。通用传动通过贯穿机械臂的柔性内管实现，内管由不锈钢编织软管（stainless-steel braided hose）构成，可在弯曲状态下传递旋转运动。状态保持由低导程螺旋副实现，螺旋副具备自锁特性，使得未激活模块在外部载荷下不发生反向传动。选择性响应则依靠形状记忆合金（shape memory alloy, SMA）离合器实现，每个弯曲模块内嵌一个SMA离合器，通过SMA丝受热收缩驱动带齿滑块与带齿螺钉啮合，从而将柔性内管的旋转转化为螺旋副的平移，再通过肌腱驱动平面可弯管实现弯曲动作。SMA丝作为“神经”，柔性内管作为“血管”，平面可弯管作为“肌肉”，三者共同构成仿蛇的驱动单元。
在实验方法上，研究首先验证了柔性旋转轴（flexible rotation shaft）在长距离弯曲路径下的旋转传递性能。被动延长管（passive extension tube）由内外两层不锈钢编织软管组成，外管直径6.1 mm，内管直径3.9 mm，总长548 mm。实验表明，当外管弯曲角度在0°至180°范围内时，内管旋转偏差小于2°，外管弯曲至180°时内管振动被抑制，且在10°扭转变形下可产生4 N·mm的扭矩。单个弯曲模块的弯曲范围为向左38°、向右30°，最大运动速度为10度/秒，模块自重仅8.6 g，并能承载50 g静态负载。
SMA离合器的性能测试则通过自制滑动台架进行。采用直径150 μm的镍钛合金丝，有效长度40 mm，测试结果显示最大收缩位移约1.6 mm，对应4%的收缩率。SMA丝在40 °C开始收缩，50 °C达到最大收缩。通过脉冲电压加热结合PWM（pulse width modulation）维持，可在4%占空比下保持收缩状态，同时将温度维持在40 °C左右。离合器响应时间约为0.1 s，断电后约2 s释放。热成像测试表明，在室温28 °C下，SMA组件外部导线的最高温度仅为30.8 °C，在39 °C环境下离合器仍可正常工作，满足体内使用安全要求。
在系统集成与运动验证方面，机器人总重202 g（含电机基座），基座尺寸为10 cm×4.6 cm×4.6 cm，可附加控制盒形成494.6 g的手持系统。弯曲模块可通过适配器（adapter）在术中现场组装，其柔性内管通过公母插头连接，平面可弯管具有八个相位可调以改变弯曲方向。研究进行了两项导航与操作实验。第一项实验中，两个弯曲模块以“跟随领导者”（follow-the-leader, FTL）方式通过具有两个弯曲段的曲折路径：BM 2先行左转通过第一弯道，再右转通过第二弯道，BM 1随后重复相同运动。第二项实验中，三个弯曲模块经狭窄入口与曲折路径到达远处目标，其中BM 3具有更长的可弯段以获得更大弯曲范围，末端附有夹持通道。操作者依次激活BM 2与BM 3，使末端夹钳接近并抓取红色目标，随后通过BM 3弯曲将目标移除。
临床应用验证分为诊断与治疗两部分。诊断实验在人体胃结构模型中完成。机器人采用三个弯曲模块配置，被动延长管长度20 cm，末端集成摄像头与光纤照明。机器人经食管进入胃腔，沿大弯、胃底、胃窦和十二指肠上部路径连续运动，共观察到四处位于不同解剖位置的溃疡病灶，并在内镜视野中将病灶居中显示。治疗实验在离体猪胃中进行。猪胃经充气管注入400 ml空气以扩张内腔，胃底开有小孔供管状摄像头记录。机器人在同一路径下发现嵌于胃壁的5 cm鱼骨，调整夹持方向与鱼骨轴线成30°–45°，夹钳经2.4 mm工具通道伸出并夹住鱼骨，随后通过机械臂弯曲将鱼骨沿插入方向缓慢抬起，直至与胃壁分离，最后将鱼骨随机器人一同退出。
本研究的主要结论是，分时驱动机制能够在仅使用单个电机的情况下实现多个弯曲模块的独立控制，且各模块具备完全模块化的组装与扩展能力。与现有最少驱动机器人相比，该设计的核心创新在于：执行器仅提供标准旋转输入，每个运动模块独立生成自身运动，不受其他模块限制；同时，SMA离合器位于局部模块内，使得分布式与模块化组装成为可能。在临床价值方面，该机器人可经狭窄自然腔道进入远端手术部位，以可调角度接近目标并通过机械臂弯曲完成组织抬举等精细操作，相较传统胃镜沿轴向拖拽的方式可减少组织损伤。未来工作包括在弯曲模块中嵌入传感器以实现闭环控制、提升模块间切换的时间效率，以及在运动学模型基础上实现机器人自主控制与尖端导航。
该研究的亮点在于：第一，提出并验证了“通用传动—状态保持—选择性响应”三原则下的分时驱动范式，为最少驱动连续体机器人提供了新的设计路径；第二，采用SMA离合器作为局部选通机构，兼具快速响应（0.1 s）与紧凑结构，并验证了其在接近人体温度环境下的可靠性；第三，实现了完全模块化的机械臂组装，弯曲模块可在术中根据任务需要灵活增减与旋转平面调节；第四，在人体胃模型与离体猪胃中完成了诊断与异物取出两类临床任务的演示，展示了该机器人在经自然腔道手术中的应用潜力。