震撼！不用电机的手术机器人诞生，灵感来自水蛭，已能精准切除肠道肿瘤

结直肠癌手术迎来新突破。澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的研究团队以“Development of a Bioinspired Soft Robotic System for Teleoperated Endoscopic Surgery”为题，在中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊Cyborg and Bionic Systems上发表文章，开发出一套全新的软体机器人手术系统。这套系统最大的亮点是：完全不需要电机驱动，仅靠液压传动就能实现精准的内窥镜手术操作。更有趣的是，研究人员从水蛭身上获得灵感，设计出独特的三爪抓持器，能够像水蛭吸盘一样牢牢抓住组织。在离体猪肠实验中，该系统成功完成了病变组织的抓取、提升和电切除全过程，展现出在狭窄肠道空间内进行精准手术的潜力。

原文链接：https://spj.science.org/doi/abs/10.34133/cbsystems.0289

▍为什么要做软体手术机器人？

结直肠癌是全球第三大常见癌症，死亡率居高不下。内窥镜黏膜下剥离术（ESD）作为早期结直肠癌的重要治疗手段，能够通过人体自然腔道进行手术，避免了传统腹腔镜手术的体表切口。

然而，现有的ESD机器人系统面临诸多挑战。

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首先是机械结构的局限性。目前主流的手术机器人，如达芬奇系统的EndoWrist，以及STRAS、micro-IGES等平台，都采用钢缆驱动机制。这种设计在狭窄弯曲的肠道内操作时，会产生严重的摩擦力损失和控制滞后。研究数据显示，当手术器械需要在降结肠等狭窄区域进行大角度弯曲时，钢缆系统的力传递误差会显著增加，严重影响手术精度。

其次是系统的复杂性和成本问题。传统系统依赖微控制器、直流电机和泵等复杂组件，不仅使设备体积庞大、价格昂贵，还增加了操作难度，限制了其在日常临床中的应用。

第三是抓持器设计的不足。现有系统多采用双爪抓持器，在抓取圆形或不规则组织时需要频繁调整旋转角度，增加了医源性损伤的风险。而且双爪设计在力分布上不够均匀，容易造成组织滑脱或损伤。

正是基于这些痛点，UNSW团队决定另辟蹊径，开发一套全新的软体机器人解决方案。他们的目标是创造一个既能在狭窄空间灵活操作，又能提供足够抓取力，同时还要简化系统复杂度的手术工具。

▍向水蛭学习的仿生设计

研究团队的创新之处在于，他们从自然界寻找灵感——水蛭的口器结构。

水蛭的前吸盘由三个呈Y形排列的颌组成，每个颌之间相隔120度。每个颌上都有许多小而锋利的齿，能够协同工作，在宿主皮肤上创建精确、无痛的切口。这种独特的生物学结构为手术器械设计提供了绝佳的参考。

基于这一生物学原理，研究人员设计了三爪抓持器。三个爪子呈120度均匀分布在圆形结构上，完美模仿了水蛭前吸盘的布局。更巧妙的是，齿被设计成向内倾斜并隐藏在爪内，防止在手术过程中损伤周围组织。为了驱动这个仿生结构，团队使用了螺旋缠绕在三爪周围的软管液压人工肌肉，精确模拟水蛭颌部的伸缩运动。

这种设计带来了显著的优势。首先是自动对中功能，三爪同时向中心移动，能够自动将组织引导到抓持器中心，完全无需旋转调整。其次是均匀的力分布，相比双爪机构，三爪设计能更好地贴合圆形病变轮廓，均匀分配载荷，大大降低了组织损伤的风险。

抓持器的尺寸也经过精心优化，直径仅4毫米，长度8.5毫米，这种紧凑的设计使其能在狭窄的肠道空间内灵活操作。实验数据显示，该抓持器的开口面积可从初始的12.5平方毫米扩展到31.2平方毫米（在0.5MPa压力下），扩展系数达到惊人的2.5倍，为抓取不同大小的病变组织提供了充足的适应性。

研究团队还建立了精确的数学模型来描述抓持器的运动特性。通过分析肌肉长度与开口面积的关系，他们推导出了压力与位移之间的二次方程关系，回归分析的R²值达到0.998，证明了模型的高度准确性。这种理论与实验的完美结合，为系统的精准控制奠定了坚实基础。

▍纯机械的主从控制系统

除了仿生抓持器，这套系统的另一个亮点是完全不依赖电子控制的主从操作机制。

研究团队开发了一个基于Delta结构的主控制器，通过纯机械方式实现精准控制。这个设计的核心是三个注射器作为液压源，通过精心设计的机械结构，将操作者的手部动作转化为远端手术器械的精确运动。

主控制器采用磁性球形关节，配合平行四边形铰接结构，实现了末端执行器的灵活平移运动。为了提供操作所需的压力，团队在主控制器底座集成了三个苏格兰轭机构。每个滑块都连接到一个注射器，通过推动活塞产生压力。这种机构设计提供了较长的力臂和较小的力角，实现了1.45的力放大比，显著减少了操作者的用力负担。

工作原理十分巧妙：当操作者移动主控制器的末端执行器时，运动会同时驱动所有苏格兰轭机构的曲柄，这些机械运动转换为注射器活塞的推拉动作，产生的液压通过1600毫米长的传输管传递到远端，最终驱动软体机械臂和抓持器完成相应的手术动作。

这种纯机械设计的优势是显而易见的。首先，它完全不需要任何电机或电子控制器，大大简化了系统结构，提高了可靠性。其次，液压传动的能量损失几乎可以忽略不计，即使在高弯曲角度下仍能保持稳定的力传递和精确控制。这解决了传统钢缆驱动系统在复杂路径下的摩擦损失问题。

软体机械臂的设计同样精妙。三个液压人工肌肉呈120度分布，形成了一个全向操纵器。这种配置提供了三个自由度：两个用于弯曲运动，一个用于轴向平移。35毫米的长度设计使其能够有效覆盖直径约40毫米的结肠内各个位置。

性能测试展现了系统的卓越能力。在工作空间方面，机械臂可以伸长70毫米，实现100%的伸长率，并能完成40毫米直径的旋转轨迹。收缩力测试显示，系统能产生最大3.88牛顿的力（在0.52 MPa压降下），这远超过ESD手术所需的2.26牛顿阈值。轨迹跟踪实验中，系统的平均跟踪误差仅为0.2毫米，展现了亚毫米级的精度。响应时间测试表明，从主控端施力到从动端检测到力的平均延迟仅为0.0895秒，远低于150毫秒的安全延迟期限。

▍从实验室到手术台的验证

研究团队通过一系列严格的体外和离体实验，全面验证了系统的实际手术能力。

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在体外实验中，研究人员精心制作了一个硅胶结肠模型。模型包含两层各0.5毫米厚的硅胶层，分别代表黏膜层和黏膜下层，材料选用了杨氏模量接近真实结肠黏膜层的EcoFlex 00-10。他们还制作了一个直径20毫米、高6.8毫米的侧向扩散型肿瘤模型，使用Dragon Skin 10材料，并用Sil-Poxy粘合剂将其固定在黏膜层上。

实验过程展现了系统的出色操控性。操作者单手操控主控制器，成功引导抓持器穿过模拟肠道接近肿瘤。到达目标位置后，通过主控制器的扳机打开抓持器爪子，推进末端执行器使抓持器包围病变部分，然后释放压力让爪子牢牢抓住肿瘤。通过回缩末端执行器，抓持器成功提升了肿瘤和附着的黏膜层，注入的染色液体向中心汇聚，清晰地显示了组织被提升的效果。

离体实验使用了从当地超市购买的新鲜猪大肠，更接近真实的手术环境。研究人员在黏膜下层做了一个小切口，在黏膜下层和肌肉层之间插入一小块硅胶作为模拟病变目标。为了稳定工作空间，他们在肠道内插入了两个外径40毫米的3D打印模型。

实验不仅验证了抓取功能，还成功测试了与电切装置的协同工作。软体切割臂配备了0.3毫米直径的金属切割头，连接到SURTRON 120电外科单元作为单极电极。在双通道支架的配置下，抓持器位于切割器上方，两者协同完成了完整的ESD手术流程。

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手术过程展现了系统的临床应用潜力。抓持器首先精确抓取并提升目标组织，为切割器提供清晰的手术视野，这个步骤完美模拟了标准ESD中的黏膜下注射和病变提升阶段。随后，切割器进行电切除，高频电流在切割组织的同时封闭周围血管，成功完成了病变组织的完整切除。

耐久性测试进一步证明了系统的可靠性。在0.2赫兹频率下连续工作超过40分钟，这个时间超过了平均环形切割时间的两倍。测试结果显示，Y轴位移偏移仅为0.9%，证明了系统在长时间手术过程中能够保持稳定的性能。

与现有手术系统的对比更凸显了TSGS的优势。在提升力方面，TSGS的3.88牛顿超过了FPCW的1.54牛顿、STRAS的0.9牛顿和Lau等人系统的0.47牛顿。虽然RMIS系统能产生10牛顿的力，但其9.5毫米的直径限制了在狭窄肠段的应用。TSGS保持5.5毫米的紧凑直径同时，还能覆盖整个结肠范围，包括盲肠和回盲瓣等传统系统难以到达的区域。

▍结语与展望

研究团队表示，未来将重点改进触觉反馈功能，让操作者在组织操作过程中获得更好的控制感。同时，他们还计划集成图像处理技术，提供更好的视觉反馈和稳定机制。

这项研究由UNSW生物医学工程研究生院的Thanh Nho Do教授领导，第一作者为博士生朱可凡。研究得到了UNSW Scientia Fellowship、澳大利亚癌症研究所职业发展奖学金等多项基金支持。

这套创新的软体机器人系统不仅为ESD手术提供了新的解决方案，其设计理念还有望应用于其他自然腔道内窥镜手术领域，如经鼻内窥镜手术和经尿道膀胱肿瘤切除术等。

随着技术的进一步完善，这种无需电机、完全液压驱动的软体手术机器人，或将为微创手术带来新的变革。

▍期刊简介

Cyborg and Bionic Systems 《类生命系统（英文）》期刊是由北京理工大学(BIT)和美国科学促进会(AAAS)/ Science 共同打造的综合性高水平国际化英文科技期刊，主要涵盖机器人、生物医学工程及神经工程三大交叉领域，主编为中国工程院院士王振常教授。文章于2021年1月正式上线，入选“中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊”和“2024年度支持北京市高水平国际科期刊建设储备项目(强刊提升）”，已被SCIE、EI、Scopus、Pubmed、DOAJ中国科技核心期刊等数据库收录。2025年6月科睿唯安公布的JCR报告中IF=18.1，在Robotics学科全部期刊排名第2位，在Engineering, Biomedical学科全部期刊排名第4位。中科院分区大类计算机科学1区Top；小类工程:生物医学1区，机器人学1区。

来源：类生命系统

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