用于微创手术中软体模块化机器人的弹性单元设计与制造

摘要

本文介绍了用于手术操作器的柔性单元的设计与制造。该基础模块包含三个柔性流体驱动器，以实现全向弯曲和伸长，以及一个基于颗粒阻塞的机制，以实现刚度控制。同时报道了完整的机械表征结果。

摘要

近年来，由于软体机器人技术在非结构化环境中具有本质上的安全交互能力，其在医学领域引起了日益广泛的关注。与此同时，为降低外科手术的侵入性，新的手术方法和技术不断被开发出来。微创手术（Minimally Invasive Surgery, MIS）已成功应用于腹部手术干预，但传统的MIS手术主要依赖刚性或半刚性器械，限制了临床医生的操作灵巧性。本文介绍了一种用于微创手术的高灵巧性软体机械臂。该机械臂的设计灵感来源于章鱼触手的生物特性，并采用模块化设计理念。每个模块具有相同的功能特性，多个模块集成后可实现更高的灵巧性和多功能性。本文详细阐述了单个单元的设计、制造流程及所需材料，该单元通过在特定模具内浇铸硅胶制成。最终结构为一个弹性圆柱体，内部包含三个柔性气动驱动器，可实现单元的伸长和全向弯曲。外部编织护套可改善模块的运动性能。每个模块中心集成了基于颗粒阻塞效应的刚度调节机制，可在执行任务过程中动态改变结构刚度。实验结果表明，该模块最大弯曲角度可达120°，最大伸长量可达初始长度的66%。该模块可产生最大47 N的力，其刚度最高可增加36%。

引言

近年来，医学领域的发展趋势是降低外科手术的侵入性。过去几年中，腹腔手术的微创外科技术（MIS）已得到显著改进。MIS 手术通常通过在腹壁上放置的四到五个通道（套管）引入器械进行操作。为了减少套管数量，可采用单孔腹腔镜手术（SPL）或经自然腔道内镜手术（NOTES）¹。这些技术可避免体表可见的疤痕，但增加了临床医生实施手术的难度。这一局限性主要源于通路数量减少以及器械本身刚性或半刚性的特性，导致其难以绕过或避开器官^{2, 3}。通过使用具有关节结构和超高自由度的机器人，可提升操作的灵活性与运动能力，从而覆盖更广、更复杂的操作空间，更便捷地到达体内特定目标区域^{4, 5, 6}，并在需要时充当组织牵开装置⁷。柔性机械臂可提高与组织接触时的顺应性，从而使操作比传统器械更加安全。

然而，当到达目标位置时，这些机械臂通常缺乏稳定性，并且一般无法控制与周围组织的接触^{8, 9}。近年来，对生物结构（如章鱼触手¹⁰和象鼻¹¹）的研究启发了具有冗余自由度（DoFs）和可控刚度的柔性、可变形且顺应性强的机械臂设计¹²。这类装置利用被动弹簧、智能材料、气动元件或肌腱结构^{13, 14, 15}。通常情况下，由柔软且柔性的材料制造的机械臂无法保证产生较大的作用力。

STIFF-FLOP（用于内镜手术和单孔腹腔镜手术的可变刚度、柔韧且可学习的操作臂）操作臂是一种受章鱼能力启发而设计的新型手术装置，最近已被提出。为了克服以往柔性操作臂的局限性，该装置不仅具有柔软的本体，还具备高灵巧性、高输出力和可控的刚度¹⁶。

该操纵器的结构基于模块化设计：多个具有相同结构和功能的单元被集成在一起。单个单元如图1所示。它基于一种通过多相制备工艺获得的弹性体圆柱体。模具组件的组装步骤和浇铸工艺使得三个用于流体驱动的空腔以及一个中空的中央通道¹⁷（用于容纳基于颗粒阻塞机制¹⁸的结构）被嵌入其中。这些空腔以120°均匀分布，因此它们的联合膨胀可产生全向运动和伸长。此外，在外部包裹一层编织护套，以限制流体腔在加压时的径向向外膨胀，从而优化腔体驱动对模块运动（弯曲和伸长）的作用效果。

中心通道容纳一个圆柱形装置，该装置由充满颗粒材料的外部膜构成。当施加真空压力时，其弹性性质发生变化，导致整体刚度增加，从而影响整个模块的性能。

运动和刚度性能由外部装置控制，该装置包括一个空气压缩机和三个用于驱动腔室的压力阀，以及一个用于在刚性增强通道中产生真空的真空泵。直观的用户界面可实现对模块内部驱动压力和真空压力的控制。

本文详细介绍了该操作器单个模块的制造过程，并报道了关于其基本运动能力的最重要结果。考虑到该装置的模块化特性，对单个模块的制造和性能进行评估，也有助于将结果推广并预测由两个或更多模块集成的多模块操作器的基本行为。

方案

注意：本方案描述了一个模块的制造步骤，该模块包括流体腔室、增强通道、驱动管道和外部护套。出于安全考虑，以下操作必须在通风橱内进行，并穿戴实验服和手套。如前所述，弹性体单元的制造过程基于使用CAD软件设计的模具依次加工而成。这些模具由图2所示及表1所列的13个部件组成。

1. 硅胶的制备

1. 在同一个塑料杯或培养皿中分别称取12 g的A组分和12 g的B组分，并通过搅拌将其混合均匀。
   注意：材料比例可能因所使用的硅胶种类而异，本例中的硅胶由两部分组成：A组分（基础剂）和B组分（催化剂）。两者按质量比1A:1B使用。
2. 将装有混合硅胶材料的容器放入真空脱泡机中，在1 bar的真空压力下进行脱泡。持续保持真空状态，直至硅胶材料中的所有气泡完全消除。对于本实验所用的硅胶，脱泡过程约需10分钟。当材料完全无气泡后，恢复机器内的大气压力，并立即使用该硅胶。

2. 硅基模块的制备

1. 模具的组装。
   1. 将加强圆筒和腔室顶部插入 cap_A 中（图 3a）。
   2. 将外壳闭合在 cap_A 的第二层周围。
2. 第一次硅胶浇铸。
   1. 将硅胶倒入已组装的模具中，直至填满外壳边缘（图 3b）。
   2. 将模具置于 60 °C 的烘箱中加热约 30 分钟。
3. 模具的重新组装。
   1. 取下外部外壳和 cap_A（图 3c）。
   2. 将腔室底部的圆筒和加强圆筒插入 cap_B 中（图 3d）。
   3. 再次将外壳闭合在模块周围，并向上滑动 10 mm，使模块的顶面与外壳边缘之间留出 10 mm 的间隙（图 3e）。
4. 第二次硅胶浇铸。
   1. 将硅胶倒入重新组装的模具中，直至填满顶部外壳边缘（即同样填满至加强圆筒顶部）（图 3f）。
   2. 将模具置于 60 °C 的烘箱中加热约 30 分钟。
   3. 取下外部外壳、cap_B 和腔室（加强圆筒除外）（图 3g）。

3. 插入导管

1. 将3根管子截成相同的所需长度（例如300 mm）。
2. 在每根管子的一端周围涂抹硅胶，长度约10 mm，注意不要堵塞管子内部。
3. 将管子插入硅胶单元中对应的2 mm专用通道内（图3h）。
4. 在室温下静置固化12分钟，或将其放入烘箱中在较高温度（50°–60°）下处理，以加快干燥过程。

4. 编织压纹护套的制备

1. 裁剪一段约700 mm长的可扩张编织套管（约为模块高度的15倍）。
2. 将一根直径30 mm、长度250 mm的金属圆柱插入套管内部。
3. 向下推压并使套管沿圆柱滑动，以形成褶皱。
4. 用夹具将套管机械固定，然后使用加热枪在350 °C下加热2–3分钟，直至产生永久形变。
5. 让套管冷却，随后取出内部的圆柱。

5. 外鞘的整合

1. 将管子穿过盖帽_C上的孔。
2. 向盖帽_C中倒入3 g硅胶。
3. 将盖帽_C夹在一个高于工作平面的支架上。
4. 将先前制备好的模块底端插入盖帽_C中。
5. 将压接好的护套沿模块滑动到位。
6. 将护套的前端压接部分推入盖帽_C内，并浸入刚倒入的硅胶中（图3i）。
7. 将模具放入60 °C的烘箱中加热约20分钟。
8. 重复步骤5.1–5.6的操作，使用盖帽_D将护套固定在模块的顶端（图3j）。
9. 取下盖帽_C和盖帽_D。
10. 移除中心圆柱体（图3k）。

6. 颗粒阻塞膜的制备

1. 将 5 g 液体乳胶倒入塑料杯中。
2. 将用于制备膜的圆柱体（如图 2所示的最后一个部件）浸入液体乳胶中，直至表面完全被覆盖。
3. 在通风橱中静置干燥 20 分钟。
4. 重复步骤 6.2 和 6.3。
5. 从模具中取出膜。

7. 颗粒阻塞膜的插入

1. 将一根直径为 2 mm 的管子截成所需长度（例如 300 mm）。
2. 裁剪一块约 100 mm² 的方形尼龙织物，用塑料石蜡膜或超级胶水将织物封住管子的一端。
3. 称取 4 g 咖啡粉，填充至膜中。
4. 将管子（带滤膜的一端）插入已填充的膜内，并用塑料石蜡膜将膜固定在管子周围。
5. 对管子的另一侧施加真空（膜会变得更坚硬）。
6. 将膜插入硅胶模块的空心中央通道内（图 3l）。
7. 将增强膜的两端粘接到硅胶模块上。
8. 在模块顶部周围装上环形固定圈（图 3m）。
9. 向环形圈内倒入 2 g 硅胶，以使表面平整。
10. 在通风橱或 60°C 烘箱中让硅胶干燥。
11. 取下环形圈。
12. 对底部重复步骤 7.8 至 7.11（图 3n）。

结果

协议中所述的制备各个阶段如图3所示。

为了评估该技术的有效性以及最终原型的性能，该模块在不同工作条件下进行了测试。外部测试装置可同时控制模块的驱动和刚度。该装置包括一个空气压缩机，用于控制三个阀门。这些阀门连接到集成在腔室中的硅胶管，从而实现对腔室的加压。一个真空泵连接到集成在颗粒阻塞膜中的管道，用于控制模块的刚度。阀门和真空泵均连接至一块电子控制板，该控制板与一个直观的用户界面相连，可设定驱动压力和真空度的数值。

为了分析弯曲（图3）和伸长（图5）性能，将模块底部固定，并通过特定气压驱动腔室。模块的每个位置均由光学和磁性传感器采集。在评估力（图6）和刚度（图7）时，由机械臂移动的测力传感器可测量模块在不同方向上的性能表现。

弯曲测试（图4）用于评估模块的主动全向弯曲能力...

讨论

本方案中描述的技术能够制造一种可用于模块化柔顺结构的气动驱动软体单元。得益于模具的设计及其简单的组装方式，可在约4小时内通过7个主要步骤完成一个完整模块的制造。该制造过程涉及一些容易获取的特定材料，且操作应在通风橱中进行。需要一个包含气动阀门、空气压缩机和真空泵的外部装置，以实现模块的运动驱动和刚度增强。

为了制造柔性单元，对多种弹性体材料进行了力学测试，以选择最适合特定应用的材料。硅胶因其高柔韧性、低滞后性以及易于成型而被选用。

制造过程基于简单的步骤，但应讨论若干关键方面。协议第4节中所述的压痕编织护套的制备，始于内径为32 mm的商用聚酯编织护套。用于压痕的金属圆柱体的尺寸必须确保压痕结构的正确形成、为插入模块预留足够的空间（内径），以及压痕之间保持适当间距。这些特征使得模块在腔体充气时能够正常工作：当腔体充气时，护套的作用是限制硅胶的径向膨胀，避免腔体出现“气球效应”。较紧密的压痕可促进硅胶沿运动方向的膨胀，从而优化弯曲和伸长运动。此外，在加热护套时需特别小心，以防止过热导致材料降解。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Ecoflex 00-50 试用装套件	SmoothOn		用于制造软体单元，需将等量的液体组分 A（基础剂）和组分 B（催化剂）混合
乳胶	Antichità Belsito		用于制造颗粒阻塞膜
过氧化物固化硅胶管	Cole Parmer	T-06411-59	用于驱动腔室并施加真空
可扩张编织聚酯（PET）护套	RS	408-249	用于制造外部编织护套
硅橡胶	Momentive	127374	用于将驱动管固定到模块上
Parafilm 封口膜	Cole Parmer	EW-06720-40	用于将乳胶膜固定到真空管上
Secuflow 通风橱	Groupe Waldner		工作空间
精密天平	KERN EW		用于称量硅胶、乳胶和咖啡粉
烘箱/脱泡机	Heraeus		用于对硅胶进行脱泡并缩短其固化时间
真空泵	DVP 真空技术公司		用于对乳胶膜施加真空