仿生黄蜂产卵器自推进针的转向策略设计与性能评估

本研究针对细针穿刺过程中易弯曲和屈曲的难题，受寄生蜂产卵器（ovipositor）启发，开发了一种具有预弯曲和非对称结构的自推进针（Prebent Ovipositor Needle）。通过中央针段的预弯曲设计和旋转控制，实现了全向转向（omnidirectional steering），在模拟组织（5-wt% gelatin）中达到平均63%±4%的推进效率和44 mm曲率半径的转向性能。该设计为经皮介入（percutaneous interventions）提供了创新解决方案。

　　

在医疗介入领域，如何精准控制细针在软组织中的轨迹一直是重大挑战。传统穿刺针易因弯曲和屈曲（buckling）偏离目标，而自然界中寄生蜂却能通过产卵器（ovipositor）在木材或果实中灵活穿行并精准定位。这种生物机制激发了科研人员的灵感——通过模仿黄蜂产卵器的多段式结构和交替运动（alternating valve movements）原理，开发具有自推进（self-propelled）和转向能力的医用穿刺针。

为突破现有技术局限，Jette Bloemberg团队在《Scientific Reports》发表研究，提出了一种直径仅0.89毫米的仿生针设计。该针由7根平行针段组成，中央针段采用预弯曲（prebent）和斜面（bevel-shaped）设计，通过六边形联锁环（hexagonal interlocking ring）约束针段旋转。研究通过组织模拟实验（5-wt% gelatin phantom）验证了其性能，发现预弯曲中央针段可使转向曲率达到0.023 mm^-1，较传统离散斜面（discrete bevel-tip）设计提升3倍以上。

关键技术方法包括：1）采用线切割加工（wire EDM）制备超弹性镍钛诺针段；2）通过热处理定型预弯曲结构；3）基于Arduino控制六线性致动器实现交替推进序列；4）使用空气导轨系统量化推进效率（η）和转向比（d_r）。

研究结果部分显示：

自推进性能：单5-mm联锁环设计在肝组织模拟物中实现63%±4%推进效率，优于双3-mm环设计（47%±3%）。

转向机制：预弯曲30°的中央针段使转向比达0.41±0.11，较传统离散斜面设计提升显著。

联锁结构优化：联锁环长度影响稳定性，9-mm长环因摩擦过大导致推进失败，而3-mm短环则引发针段发散（divergence）。

讨论指出，该设计通过预弯曲策略实现了寄生蜂产卵器假说中的"预应力（pretension）"机制，其无整体旋转的转向方式可减少组织扭转载荷。尽管在10-wt%较硬组织中效率略降（52-58%），但该针在曲率半径（44 mm）和方向切换能力上已超越生物原型。未来通过延长预弯曲段或整合中空取样通道，可进一步拓展其在肿瘤活检或激光消融等场景的应用价值。这项研究为微创手术器械开发提供了新的仿生学范式。