本文为单一原创研究报告，类型a。

作者与发表信息

本研究由Lorenzo Mocellin、Niccolò Pagliarani、Giulia Gamberini、Gastone Ciuti、Matteo Cianchetti及Arianna Menciassi共同完成，研究团队隶属于意大利比萨圣安娜高等研究院（Sant’Anna School of Advanced Studies）的仿生机器人研究所（The BioRobotics Institute）。该研究以研究论文（research article）形式发表于Advanced Intelligent Systems期刊，2026年第8卷，文章编号e202501249，于2025年10月6日投稿，2025年12月30日修订，2026年1月9日被接收。

学术背景

该研究属于医疗机器人、微创手术器械和折纸工程学的交叉领域。传统微创手术（minimally invasive surgery，MIS）器械虽然精密，但由大量微小刚性部件组成，存在制造成本高、消毒困难以及与软组织顺应性不足的问题。在腹部手术中，刚性器械的使用增加了肠道损伤的风险，因为肠道组织极为脆弱，容易发生剥离、拉伸或撕裂。折纸原理允许通过折叠二维形状来设计和制造器械，从而简化制造流程，并使器械能够在微小的进入口和狭窄腔道内展开工作。然而，已有折纸灵感手术器械的研究大多集中于小型化或结构简化，缺少专门针对腹部手术中精细组织操控的设计，且在商用机器人手术平台上的验证不足。本研究旨在开发一种名为origrasp的可展开折纸灵感器械，用于机器人辅助微创手术中的精细组织操控，特别是肠道组织的安全夹持与牵拉，同时保持低成本、易制造和易消毒的特性。

研究流程

研究首先进行了器械设计与建模。origrasp基于刚性可折叠折纸机构，由刚性面板和柔性铰链构成，折叠时运动仅发生在铰链处，面板不变形。器械可折叠收纳于直径10 mm的轴内，通过12 mm标准穿刺器（trocar）进入腹腔。器械具有可重构性：展开状态下中央通道开放，可作为其他手术工具的引入器；折叠成抓钳后可对组织进行夹持。钳口（jaws）长度为10 mm，宽度5 mm，接触面积为50 mm²。为满足防滑需求，目标夹持力设定为4 N，参考Heijnsdijk等人报告的防滑最小力3.3 N。安全压力阈值来自Khan等人的人体大肠局部压缩研究，即329 kPa。牵拉和提升力的目标范围参考Ranzani等人的研究，分别为0.18–1.09 N和0.59–1.21 N。目标机械传动效率设定为0.4。设计阶段中，研究者开发了基于梁理论和欧拉-伯努利方程的柔性铰链设计方法，推导了防屈服最小曲率半径公式r ≥ Et/(2Sy)，其中E为弹性模量，t为柔性材料厚度，Sy为材料屈服强度。在材料选择上，柔性层采用Kapton（DuPont），刚性部件采用Biomed Clear树脂，通过Formlabs Form 3+立体光刻（SLA）3D打印机打印。钳口另采用Stratasys J35 Pro多材料打印机以不同刚性/柔性光敏聚合物混合比例制备了VE50和VE85两种材料，下标代表其邵氏硬度。

其次，研究者建立了顺应性抓钳的伪刚体模型（pseudo-rigid body model，PRBM）。模型基于静力平衡，以基座关节为矩心，考虑驱动力F、组织反力N以及柔性关节产生的恢复力矩M。柔性关节采用短长度弯曲铰链（small-length flexural pivot）PRBM变体建模，其扭转刚度k由公式k = Ewt³/(12l)给出，恢复力矩M = kθ。力矩平衡方程F·d − N·h/2 − k·θ = 0用于预测达到目标夹持力所需的驱动力。根据该模型推导了机构构件的几何尺寸，并据此制造了原型。模型预测与实验结果的偏差约为5%。驱动系统采用线缆驱动机制，改装了Intuitive Surgical的EndoWrist器械，不锈钢线缆直径0.25 mm，连接钳口、穿过轴内通道并与伺服电机驱动的滑轮相连。性能评估中使用Hitec HS-225MG伺服电机。

随后，研究者通过有限元方法（finite element method，FEM）分析钳口与组织的压力分布。在ANSYS Workbench中建立了参数化钳口几何模型和均质硅胶组织模型（Ecoflex 00-50）以模拟肠道组织。研究了不同齿数和不同材料刚度的钳口配置（4齿、8齿、10齿；Biomed Clear、VE50A、VE85A），施加4 N压缩载荷。FEM模型通过Tekscan 5027压力映射传感器验证，峰值压力预测平均误差约3%，平均压力误差小于7%。结果显示，所有配置的峰值压力均低于329 kPa安全阈值。VE85A在4齿配置下达到最高平均压力99 kPa，VE50A在10齿配置下平均压力最低为61 kPa。Biomed Clear在8齿配置下出现峰值和平均压力的最大值。4齿配置力集中于少数接触点，增加组织损伤风险并降低横向稳定性；10齿配置齿过细过多，夹持力不足；8齿配置在峰值和平均压力之间达到最佳折衷。随后对8齿钳口进行了牵拉测试，结果显示Biomed Clear可承受超过0.8 N牵拉力并实现29 mm组织回拉，VE85A峰值力约0.8 N但回拉距离约25 mm，VE50A在0.7 N以下即失去夹持。基于生物相容性、性能及制造一致性，最终选择Biomed Clear 8齿钳口作为origrasp的最终配置。

最后，研究者对origrasp进行了综合性能表征和机器人平台集成验证。夹持力测试使用FSR 408力敏电阻传感器和Instron 4464万能试验机。结果显示，origrasp在10 N驱动力下产生4 N夹持力，机械传动效率为0.4，与目标一致，且4 N夹持力高于防滑所需最小力。牵拉和提升测试在三种不同硬度的硅胶组织上进行，并在离体猪肠道组织上进行了牵拉验证。Ecoflex 00-50和Ecoflex 00-30模拟物上的牵拉力分别为略高于0.6 N和0.8 N，提升力约0.6 N和0.7 N，均符合安全操控范围。对于模拟脂肪组织的Ecoflex Gel，牵拉和提升力为0.2 N和0.3 N，未造成宏观损伤。离体猪肠道组织的牵拉测试结果与Ecoflex 00-50高度吻合。在Da Vinci研究套件（dVRK）平台上，研究团队完成了两项可行性演示：一是在模拟腹腔内通过12 mm穿刺器抓取组织并回拉；二是操控离体猪肠道组织，成功抓取并提升肠袢，暴露目标手术区域，使对侧机械臂上的8 mm Da Vinci抓钳能够进入操作。

核心结果与结论

origrasp的最大夹持力为4 N，驱动力为10 N，机械传动效率为0.4，超过防滑所需的最小夹持力阈值且未对组织施加过度压力。所有测试钳口配置的峰值压力均低于329 kPa的肠道组织安全压力阈值。牵拉和提升力分别为0.2–0.8 N和0.3–0.7 N，尽管未覆盖文献报告的0.18–1.21 N整个范围，但结果均在安全操控区间内。有限元模型能够以峰值压力约3%的平均误差和平均压力低于7%的误差预测组织压力分布。在dVRK平台上的集成成功证明了origrasp在机器人手术工作流程中的可用性。

研究结论指出，origrasp通过其内在的顺应结构而非外加传感器或复杂反馈系统，实现了对肠道组织安全有效的抓持。其可折叠结构使其可执行双重功能——先作为其他诊断或治疗工具的引入器，再展开为顺应性抓钳，从而减少术中工具更换。器械的线缆驱动机制便于与现有机器人接口集成。与现有无创伤抓钳相比，origrasp在紧凑外形内实现了可展开性、可重构性和多功能性，同时保持了低复杂度的制造流程。

研究亮点与价值

本研究的核心亮点在于：第一，将刚性折纸原理应用于腹部手术精细组织操控的具体临床场景中，填补了已有折纸手术器械研究在此应用领域的空白。第二，器械的可重构设计允许在引入器和抓钳两种模式间切换，使用同一驱动系统即可实现，无需额外致动器。第三，器械的顺应结构具有“机械保险丝”行为，能够在过载时通过柔性关节变形吸收应力，从而限制传递至组织的力，这一被动安全机制无需电子传感器即可实现。第四，与多数文献中的折纸或软体抓钳不同，origrasp在商用dVRK机器人平台上完成了集成验证，证明了其在临床相关机器人手术工作流中的潜在可用性。第五，研究通过FEM建模与实验验证相结合的方式系统分析了钳口齿数和材料刚度对组织压力分布和牵拉性能的影响，为未来同类器械设计提供了方法学参考。该研究为微创腹部手术提供了一种安全、低成本、易制造且易于集成到机器人平台的器械设计范式。