在近期发表于学术期刊《Advanced Healthcare Materials》的一项研究中，来自哈尔滨工业大学、哈尔滨商业大学和东北林业大学的研究团队，由许金穗、许博一、岳洪浩、谢志杰、田野和杨飞（通讯作者）共同主导，开发了一种具有开创性的仿生软体机器人胃（Bionic Soft Robotic Stomach, BSRS）。这项研究于2024年6月20日正式在线发表，论文标题为“Origami-Inspired Bionic Soft Robot Stomach with Self-Powered Sensing”。该研究属于生物医学工程、软体机器人学和柔性传感技术的交叉领域，其核心目标是解决现有胃模拟器在真实再现胃复杂物理运动方面的局限性，并为胃消化医学和食品科学研究提供一个高度仿真的实验平台。
学术背景 胃是人体消化系统的关键器官，其物理运动——主要由环肌和斜肌的协同收缩控制——对于食物的混合、研磨和排空至关重要。然而，由于胃动力学的复杂性，精确模拟和感知其运动一直是个巨大挑战。现有的胃模拟器主要分为刚性模拟器和软体模拟器两大类。刚性模拟器驱动结构复杂且缺乏生理运动功能；而现有的软体胃（Soft Stomach, SS）则大多采用绳索驱动或正压空气驱动，前者存在驱动离散、动作不连续的问题，后者虽模拟效果较好，但为了模拟连续的蠕动收缩，驱动器数量往往多达数十个，导致系统复杂、控制困难。更重要的是，多数现有研究忽视了胃底的功能性模拟，且普遍缺乏实时的运动感知反馈能力。因此，开发一种能够完整模拟胃形态与生理运动、并集成驱动与实时感知功能的仿生软体胃系统，对于深化消化机理研究、药物测试和医疗器械开发具有迫切的科学意义和应用价值。
详细工作流程 本研究的工作流程系统性地涵盖了设计、制造、表征和功能验证四个主要环节，并引入了基于折纸结构和摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的自供电传感新技术。
首先，在设计与原理构建环节，研究团队从胃的解剖结构获得灵感。胃壁包含三层肌肉组织：纵肌、环肌和斜肌。其中，环肌负责径向收缩以研磨食物，斜肌则独特地负责胃底的紧张性收缩以推动食物。本研究重点模拟了环肌和斜肌的功能。仿生软体机器人胃（BSRS）的设计方案如图1f所示：采用水弹型折纸结构模拟覆盖胃底的斜肌驱动器，以模拟胃底的紧张性收缩；采用四个串联的锯齿型折纸结构模拟环绕胃体和幽门部的环肌驱动器，通过顺序泵气来模拟胃的蠕动收缩。创新之处在于，环肌驱动器被设计成一个驱动与传感一体化的集成结构。它分为驱动层和导向层：驱动层外部为热塑性聚氨酯膜，中间为铝箔电极，内部为聚酰亚胺摩擦电材料；导向层则是表面贴附铝箔电极的聚醚醚酮锯齿型折纸骨架（图1g）。其工作原理基于垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机效应（图1i）：当驱动器在负压下收缩时，驱动层的聚酰亚胺薄膜与导向层的铝箔接触，由于摩擦起电效应产生电荷；当停止泵气、驱动器恢复原状时，两层分离，电荷转移产生可测量的电信号。该信号的大小与驱动器的收缩程度直接相关，从而实现了无需外接电源、不干扰驱动运动的自供电实时感知。此外，通过在折纸骨架A段设置圆孔、利用流体粘性阻尼效应，实现了“分段时间驱动”效应，即A段先于无孔或小孔的B段收缩，仅用四个环肌驱动器即可模拟出更接近生理的、传播性的蠕动波。
其次，在制造过程中，研究团队详细描述了各部件的手工与模具制备方法。环肌驱动器和斜肌驱动器的制备涉及激光切割、折叠、材料贴合和热塑封等步骤（图2a, c）。BSRS的本体（即“胃囊”）则采用医用级硅胶材料Dragon Skin 10，通过3D打印模具进行浇注成型，制备出前、后两部分后再用硅胶粘合剂结合，最终形成厚度约2毫米、形状与尺寸（约294.54 mm × 205.66 mm）接近真人胃、容量约1升的硅胶胃内层（图2e, f）。最后，将驱动器与硅胶胃内层组装，并再次浇注一层0.5毫米厚的硅胶进行整体封装，形成完整的BSRS系统（图2g, h）。
接着，在驱动器传感器表征环节，研究团队进行了一系列控制变量实验，以量化传感性能。他们测试了不同驱动频率、不同摩擦层材料（铝箔、铜箔、银导电涂料）对输出信号电压的影响，最终选定铝箔作为最优材料（图3a-c）。通过改变折纸骨架B段的孔径，验证了“分段时间驱动”效应及其对传感信号形态的影响（图3d-f）。关键的标定实验建立了环肌驱动器收缩率（μ）与输出信号电压之间的线性关系（R² = 0.98287，灵敏度S = 0.9535 V/%），以及收缩力与输出电压之间的关系（R² = 0.98069）（图3g, h, 图4a-c）。这为通过电信号实时、定量地反推驱动器的收缩状态（收缩率和收缩力）提供了依据。耐久性测试表明，在750次驱动循环后，传感器信号输出依然稳定（图3i）。
然后，在BSRS性能测试环节，研究重点考察了不同胃内容物对系统性能的影响。研究将BSRS中分别注入水、蜂蜜和粥三种不同粘度的内容物，测试了四个环肌驱动器在不同负压下的收缩力和收缩率（图4d-i）。实验结果表明：内容物粘度越高，驱动器产生的最大收缩力越大（例如，对于某个驱动器，水、蜂蜜、粥对应的最大收缩力范围分别为1.4-1.8 N, 1.9-2.4 N, 2.5-3.2 N），但收缩率越小。这是因为粘弹性内容物会吸收和储存部分收缩能量。这些实验数据不仅证明了BSRS能够适应不同粘度的内容物，其最大收缩力（最高达3.2 N）也足以覆盖并可通过调节负压精确模拟人体胃的生理收缩力范围（0-1 N），而集成的传感器则为实现收缩力的闭环精确控制提供了可能。
最后，在功能验证——蠕动排空演示环节，研究团队搭建了一个完整的实验平台（图5a），在BSRS中注入两种不同颜色的荧光增稠液体模拟食物，并按照设定的时序控制斜肌驱动器和四个环肌驱动器依次动作。实验成功演示了食物从胃底被推送、在胃体与幽门部被混合与研磨、并最终排出的全过程（图5b(i-vi)）。与此同时，四个环肌驱动器上的自供电传感器实时记录了整个排空过程中的电信号变化（图6a-d）。数据显示，四个驱动器依次产生了幅度渐增的收缩率（分别约为0.36, 0.48, 0.67, 0.81），这与人体胃从胃体到幽门收缩率逐渐增大的生理特征基本吻合。此外，研究还将BSRS置于37°C、注入人工唾液和人工胃液的模拟胃环境中进行了长达4小时的稳定性测试，传感器信号输出保持良好，证明了其在近似体内环境下的工作可靠性。
主要结果 本研究取得了一系列系统且相互支撑的结果。在基础传感层面，成功开发并表征了基于锯齿型折纸和摩擦电效应的集成驱动-传感单元，其输出信号与收缩率、收缩力呈高度线性正相关，灵敏度高、重复性好、耐久性佳，为整个系统的智能感知奠定了核心基础。在系统性能层面，BSRS展现出了高度仿生的运动能力：斜肌驱动器模拟了胃底的紧张性收缩；四个环肌驱动器通过“分段时间驱动”效应和顺序控制，实现了接近生理频率（约3次/分钟）和传播特征的蠕动波。针对不同粘度内容物的实验数据，不仅验证了系统模拟不同膳食条件的可行性，更揭示了内容物物理性质与胃模拟器力学输出之间的定量关系，这是以往模拟器研究较少涉及的。在最终的功能演示中，BSRS成功完成了对混合食物的可视化排空过程，并同步实现了对整个运动过程的无线、自供电实时监测。这些结果层层递进：从单元器件的有效性验证，到完整系统的仿生运动实现，再到复杂环境（不同内容物、模拟生理环境）下的性能评估和最终的功能集成演示，共同强有力地支持了研究目标的达成。
结论与意义 本研究得出结论：所提出的这种受折纸启发的、结合自供电传感技术的仿生软体机器人胃，能够真实地再现胃的生理运动功能（混合、输送、排空），并实时检测胃的收缩率以监控其运动状态。这种将折纸驱动结构与摩擦电传感技术一体化的设计，极大地简化了软体胃的驱动结构，同时赋予了其高保真的仿真功能和智能感知水平。
该研究的价值体现在多个层面：在科学价值上，它为解决复杂生物器官运动的模拟与感知难题提供了一个创新的技术范式，即通过仿生折纸结构简化驱动，并利用自供电传感实现无扰、实时反馈。在应用价值上，BSRS为胃消化研究、药物释放与递送动力学测试、新型医疗器械（如胃内器械）的开发和验证、以及医学教育训练，提供了一个高度可控、可重复、可定量监测且更接近真实生理状态的实验平台。它有望替代或补充部分动物实验和简单的体外模型，加速相关领域的研发进程。
研究亮点 本研究的突出亮点在于其高度的集成创新性： 1. 首创性设计：首次提出并实现了一种集驱动与自供电传感于一体的仿生软体机器人胃。 2. 仿生与简化：巧妙运用折纸结构（锯齿型模拟环肌、水弹型模拟斜肌）实现了高度仿生的胃运动，并利用流体粘性阻尼的“分段时间驱动”效应，用极少量的驱动器（仅四个环肌驱动器）模拟了复杂的蠕动传播，极大简化了系统。 3. 智能感知：创新地将摩擦纳米发电机传感单元无缝集成到驱动器结构中，实现了对收缩运动的无源、实时、定量监测，且传感不干扰驱动，解决了传统附加式传感器的滞后性和干扰问题。 4. 功能全面：首次在软体胃模拟器中同时实现了对胃底紧张性收缩和胃体-幽门部蠕动收缩的协同模拟，更完整地复现了胃的生理功能。 5. 实证充分：研究不仅进行了详尽的单元测试和系统标定，还完成了从模拟不同膳食到完整排空演示的全流程功能验证，数据详实，论证充分。
其他有价值内容 研究团队在论文中也坦诚地指出了当前BSRS与真人胃之间存在的差距。例如，真人胃通过神经系统和激素调节来感知和控制其运动，并能感知食物的容量、重量、pH等特性，而BSRS目前仅能模拟物理运动过程，无法实现这些生物感知与调节功能，也缺乏胃黏膜的吸收功能。这些不足之处为未来的研究指明了方向，即如何在保持优异物理模拟性能的基础上，逐步整合生物相容性材料、化学传感单元甚至生物细胞组织，向更全面的“类器官”或生物混合系统发展，这将是一个极具挑战性和前景的研究方向。