新型柔性机构驱动的关节式腹腔镜器械设计与多方法优化研究

为解决传统腹腔镜器械因刚性关节和缆绳驱动导致的回差、磨损和非线性传输问题，研究人员通过拓扑优化和非线性有限元分析(FEA)设计了一种基于柔性机构的新型关节式腹腔镜器械。研究采用伪刚体模型(PRBM)预测运动学行为，优化厚度参数实现80°活动范围(ROM)与80 N/mm刚度的平衡，并通过金属3D打印和线切割(EDM)完成原型制造。该研究为高精度微创手术器械开发提供了创新框架。

　　

在微创手术领域，传统腹腔镜器械的刚性关节和缆绳驱动设计长期面临回差、机械磨损和非线性传输等瓶颈问题，严重制约手术精度和可靠性。尽管柔性机构因其无关节、一体化的优势成为研究热点，但如何平衡大范围关节活动与组织抓取力仍是未解难题。针对这一挑战，美国加州大学旧金山分校（University of California, San Francisco）的研究团队创新性地将拓扑优化与超弹性材料特性相结合，开发出具有临床转化潜力的新型柔性关节腹腔镜器械，相关成果发表在《Next Research》上。

研究团队采用拓扑优化生成初始结构布局，通过非线性FEA进行尺寸优化，并建立PRBM模型预测运动学行为。关键技术包括：基于SIMP方法的MATLAB拓扑优化、ANSYS非线性FEA分析超弹性镍钛合金材料、PRBM运动学建模，以及通过金属3D打印和线切割EDM实现原型制造。

设计优化与验证
通过拓扑优化获得的结构布局经非线性FEA验证，发现厚度增加会降低末端位移但显著减少ROM（0.8mm时88°降至1.4mm时25°）。最终确定1.02mm厚度为最优解，实现80° ROM且应变控制在7%以内。

材料性能比较
对比Ti-6Al-4V和Nitinol发现，后者在28N输入力下可实现75°弯曲，远超钛合金的48°（需36N力）。PRBM预测与FEA结果误差分别为7.84%（Nitinol）和10.37%（Ti-6Al-4V），验证了模型的可靠性。

制造工艺突破
采用线切割EDM加工Nitinol部件，通过Nd:YAG激光焊接实现与器械杆的精准连接，避免了传统加工导致的材料相变问题，原型关节展现出与仿真一致的性能。

这项研究的意义在于建立了从计算设计到临床转化的完整技术路线：通过拓扑优化和PRBM的协同应用，解决了柔性机构设计中ROM与刚度的矛盾；选用Nitinol材料并优化加工工艺，突破了超弹性结构制造的瓶颈。相比现有技术，该设计将关节活动度提升至80°（传统缆绳驱动仅45°-60°），同时保持5-8mm的临床适用直径。未来通过集成抓取机构和疲劳验证，有望推动新一代高灵巧度腹腔镜器械的临床应用。研究团队特别指出，尽管PRBM存在约8.6%的建模误差，但其为快速迭代设计提供了有效工具，而非线性FEA则确保了最终性能的精确预测。这项由Prabhat Kumar和Bhallamudi Ravi完成的工作，为手术机器人领域的柔性机构设计树立了新范式。