用于结肠镜检查的可扩展缆驱柔性执行器的性能评估：基于蜂窝结构设计的非线性分析与实验验证

本研究针对传统双气囊结肠镜(DBC)存在的结构复杂、弯曲能力有限、负载能力低等问题，设计了一种基于蜂窝结构的可扩展两段式缆驱软体机器人。通过Yeoh模型非线性静力学分析和实验验证，该机器人远端节段压缩率达68%，弯曲角度超过270°，负载能力达100g，显著提升了结肠镜检查的灵活性和安全性，为柔性内窥镜设计提供了新思路。

　　

在结直肠癌(CRC)早期诊断领域，结肠镜检查作为黄金标准技术发挥着关键作用。然而传统结肠镜存在明显局限性：刚性结构易导致结肠壁拉伸甚至穿孔，患者疼痛感强烈，且难以应对结肠的复杂弯曲解剖结构。双气囊结肠镜(DBC)虽通过双球囊交替固定技术改善了推进效率，但现有设计仍面临驱动复杂、弯曲角度有限（通常＜180°）、负载能力不足以及摩擦过大导致运动迟缓等问题。

为解决这些挑战，东京科学大学的Ibrahim A. Seleem和Hiroshi Takemura在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，设计了一种基于蜂窝模式的可扩展缆驱软体执行器。该机器人采用两段式结构：近端节段采用双层半八角形蜂窝重叠设计增强刚度，远端节段采用单层蜂窝结构实现弹簧般的压缩/伸展功能。每个节段通过四根90°分布的缆绳实现双平面弯曲，并通过第五个直流电机控制远端节段的伸缩运动。

研究采用多项关键技术方法：首先通过有限元分析(FEA)评估设计参数对应力分布和变形特性的影响；采用基于三阶Yeoh模型的非线性静力学分析模拟超弹性材料行为；建立基于常曲率(Constant Curvature)假设的运动学模型；最后通过实验平台（含OptiTrack运动捕捉系统）验证弯曲性能、重复性和负载能力。

设计结构与工作原理方面，机器人总长16.45cm，直径1.5cm，采用NinjaFlex材料3D打印制作。近端节段的双层设计显著提高刚度，而远端节段可实现类似软弹簧的压缩伸展功能。工作原理上，通过五个直流电机控制缆绳张力，实现双节段独立运动。插入流程采用创新的"压缩-固定-扩展"序列：先压缩远端节段插入，近端球囊充气固定肠道，远端扩展后球囊切换，最终推动结肠镜前进。

设计分析结果显示，通过参数化研究（x₁, x₂, y₁, y₂, r₁, r₂）确定了最优结构参数（场景3）。非线性静力学分析表明，在0.1-0.48N载荷范围内，最大冯·米塞斯应力始终低于材料抗拉强度(4MPa)。插入软质背骨后，有效避免了弯曲过程中的扭转变形，使Z轴位移误差降低约60%。

运动学建模采用常曲率假设，建立以节段长度s_i、曲率κ_i和弯曲角φ_i为参数的模型。通过推导缆绳长度变化与曲率关系（公式3-9），实现了对双节段协调运动的数学描述，为后续精确控制奠定基础。

性能评估实验表明，机器人表现出卓越的弯曲能力：近端节段弯曲达180°，远端节段超过270°，并能形成复杂的S形轨迹。压缩实验显示远端节段可从正常长度压缩68%至2.5cm，且在压缩状态下仍保持弯曲能力。重复性测试中，虽然因缆绳摩擦存在一定误差（Y轴最大0.0731m，Z轴0.0723m），但整体表现出良好的运动一致性。负载测试中，机器人能在携带100g载荷情况下完成270°弯曲，远超现有软体结肠镜性能（文献中最高200g负载但仅180°弯曲）。

该研究通过创新的蜂窝结构设计和系统性的性能验证，成功解决了传统结肠镜的多项技术瓶颈。其高达270°的弯曲能力和100g负载能力，结合压缩伸展功能，显著提升了在复杂肠道环境中的通过性和操作性。采用的Yeoh模型非线性分析和常曲率运动学建模为软体机器人设计提供了重要理论工具。虽然缆绳摩擦导致的定位误差仍需改进（通过传输系统优化），但这项研究为下一代智能结肠镜的发展指明了方向，对微创手术器械进步具有重要推动意义。