仿生液压驱动软体机器人系统在远程操作内镜手术中的创新应用

推荐：本研究针对内镜黏膜下剥离术(ESD)中现有机器人系统在狭窄空间的可达性、灵活性和精度不足等问题，开发了一种基于液压驱动的无电机主从式软体机器人系统。该系统采用仿生三爪抓取器和双软体机械臂设计，通过体外和离体实验验证了其3.88 N的组织牵引力和<0.2 mm的操作精度，为微创手术提供了更安全高效的解决方案。

　　

在微创手术领域，内镜黏膜下剥离术(ESD)已成为早期胃肠道肿瘤治疗的重要手段，但现有机器人系统面临严峻挑战。传统电缆驱动机制在弯曲结肠等复杂路径中会产生摩擦力和迟滞效应，导致力传递误差；依赖直流电机和微控制器的设计使系统笨重昂贵；而双爪抓取器需要旋转调整才能有效抓取组织，增加了手术风险。这些局限性严重制约了ESD在全结肠范围内的应用，特别是对占结直肠癌42.4%的近端病变（如盲肠和回盲瓣区域）的处理尤为困难。

为突破这些技术瓶颈，研究人员开发了一套创新的仿生液压驱动软体机器人系统。该系统包含两个核心组件：3自由度软体切割臂(SCA)和仿水蛭前吸盘结构的三爪远程操作软体抓取系统(TSGS)。整个系统采用纯液压驱动架构，完全摒弃了直流电机和电子控制器。抓取器的三爪设计以120°间隔均匀分布，通过内置的软体驱动网络产生强大牵引力，同时消除旋转运动带来的医源性损伤风险。主操作设备采用Delta结构，通过磁球关节和平行四边形铰接结构实现4自由度精确控制，力传递比达1.45倍。

关键技术方法包括：(1)基于液压人工肌肉的软体机械臂设计，实现弯曲和轴向伸长运动；(2)仿生三爪抓取器开发，采用螺旋缠绕的软管状肌肉驱动；(3)电磁跟踪系统(Trak STAR)评估操作空间；(4)离体猪大肠实验验证组织抓取和电切功能；(5)定制硅胶模型模拟结肠解剖结构。

研究结果部分显示：
"Characterization"部分证实抓取器在0.5 MPa压力下开口面积可扩大2.5倍(12.5→31.2 mm²
)，数学模型预测精度达R²
=0.947；
"Working space"测试表明机械臂可实现100%伸长(70 mm)和40 mm直径的旋转轨迹；
"Contraction force"测量显示在0.52 MPa压降时产生3.88 N牵引力，超过ESD手术2.26 N的需求阈值；
"Steering"实验中系统对矩形和圆形路径的跟踪误差仅0.1889-0.2083 mm；
"Response time"测试显示平均响应延迟89.5 ms，低于150 ms的安全阈值。

在"Demonstration"部分，离体实验成功展示了系统在猪大肠中完成组织抓取-提升-电切的全流程操作。与现有系统对比显示，TSGS的牵引力(3.88 N)显著优于STRAS系统(0.9 N)和FPCW(1.54 N)，同时保持5.5 mm的小直径，能够到达结肠所有区段。

研究结论指出，这种液压驱动系统通过仿生设计和主从控制，有效解决了电缆驱动系统的摩擦损耗和体积限制问题。三爪抓取器的均匀力分布特性可减少组织损伤，而全液压架构实现了无需电力的精确操控。该技术不仅适用于ESD手术，未来通过尺寸优化还可拓展至经鼻内镜手术和经尿道膀胱肿瘤切除等其他自然腔道手术领域。研究结果发表在《Cyborg and Bionic Systems》，为微创手术机器人提供了新的技术路线。