基于折纸剪纸技术的平行四边形远程运动中心机构仿生设计与应用

针对微创手术中机械臂远程运动中心(RCM)机构体积庞大、部署困难等问题，研究人员创新性地将折纸剪纸(kirigami)技术应用于平行四边形RCM机构设计。通过建立从初始折痕到功能结构的转化框架，成功开发出具有磁驱动功能的可折叠RCM原型，实现了90%体积压缩率，为微创手术机器人提供了可定制、易部署的解决方案。

　　

在微创手术(MIS)领域，外科医生需要通过钥匙孔大小的切口操作细长器械，这对操作精度提出极高要求。虽然达芬奇手术机器人等系统通过远程运动中心(RCM)机制解决了器械绕切口点旋转的问题，但传统金属连杆结构的体积限制使其只能作为外部设备使用。如何实现RCM机构的小型化、可折叠化，使其能像"变形金刚"般通过狭窄通道进入体内再展开，成为突破现有技术瓶颈的关键。

香港中文大学的研究团队从日本折纸艺术中获得灵感，在《Biomimetic Intelligence and Robotics》发表研究，开创性地将折纸剪纸(kirigami)技术应用于RCM机构设计。研究人员通过三个关键技术路径：1）建立从传统连杆到折纸结构的映射方法，2）开发模块化平行四边形单元组装策略，3）集成磁响应弹性体驱动系统，成功实现了RCM机构的"二维图纸到三维结构"的智能转化。

在"耦合双平行四边形RCM"章节，研究团队通过水平/垂直两种约束条件（图4），将两个平行四边形单元串联，使RCM点运动范围达到俯仰60°、偏转45°。针对"反向驱动RCM"设计（图5），创新性地采用被动棱柱关节替代传统主动驱动器，通过折纸结构的本征柔顺性实现类似套管针的导向功能。最复杂的"三平行四边形RCM"（图7）通过堆叠单元结构，在保持相同运动性能下将占地面积缩小1.6倍，特别适合眼科等狭窄空间手术。

最具突破性的是磁驱动RCM原型(RCMMA)的开发（图8）。该结构采用掺钕铁硼(NdFeB)微粒的硅胶复合材料，通过1.1T磁场定向磁化后，能在5-10mm距离内实现33°的精确偏转，末端输出120mN作用力。折叠状态体积减少90%的特性，使其可像"纸鹤"般被输送到目标部位再展开。

这项研究的意义不仅在于技术突破，更开创了"机构仿生"新范式。正如讨论部分指出，折纸结构的本征约束特性可替代传统精密装配，使RCM制造成本降低、更易普及。未来通过引入多自由度折纸关节和智能材料，这类结构还可能发展出自适应RCM系统，为下一代手术机器人提供核心技术支持。研究团队特别强调，这些可折叠模型本身就是绝佳的教学工具，能让医学生更直观理解RCM的运动学原理。