▍研究背景与挑战
在现代医疗领域，微创手术技术的发展一直是研究热点。小型医疗设备能够穿过器官或血管的管腔到达手术部位，用于诊断和治疗疾病，有效减少术后疼痛和切口并发症的风险。特别是，由于微加工技术、推进策略、远端驱动方法和基于力学的运动学模型的创新发展，毫米级柔性连续体机器人因其被动顺应性而具有安全性和适应性，为减少创伤和更灵活的腔内手术提供了一种很有前景的方法。
然而，小型连续体机器人在实际应用中面临着一些紧迫问题。首先，在复杂、急剧弯曲的路径中，机器人与管腔壁的相互作用可能会对脆弱组织造成损害。其次，在曲折的血管中，累积的摩擦阻力可能会抑制运动，并导致储存的弹性能量突然释放。此外，虽然热响应变刚度连续磁机器人具有规模小、灵活性强、易接近等优点，可以最大限度地减少组织上的力，但随着机器人继续加深管腔，力仍然会累积。
基于这些问题，哈尔滨工业大学的谢晖、孟祥及张号教授提出了一种创新性的解决方案。他们设计了一种具有"follow-the-leader"行为的毫米级连续体机器人，能够进行顶端延伸并确保结构的稳定性。这项研究以"Magnetic steering continuum robot for transluminal procedures with programmable shape and functionalities"为题，发表在Nature Communications期刊上。
▍创新设计原理
该研究提出的连续体机器人具有多项创新特点。首先，它采用了"follow-the-leader"(FTL)行为，使机器人能够进行顶端延伸，同时确保结构稳定性（图3a、b）。这种设计利用了基于相变的双组分系统，使机器人能在可编程磁场的控制下进行周期性的、基于尖端的伸长（图3a）。
图3：用于腔内手术的毫米级磁操纵连续机器人示意图
每个运动周期都集成了一个稳定的固体状骨架和用于向前推进的一个液体状部件。这种设计使得机器人的形状能够通过尖端的轨迹规划进行主动编程或重新编程，而不受环境相互作用的影响（图3b）。这一特性使得机器人能够实现精确的磁引导导航，类似于穿过狭窄而复杂的管腔的脊柱，同时显著减少组织损伤和摩擦（图3c-i）。
在开放空间中，这种机器人的移动特性，包括可达性和灵活性，是不受限制的（图3c-ii、iii）。它不仅可以作为工具载体，还能在到达开阔区域（如胃）后原位变形为复杂的3D结构，用作手术器械或传感单元。这一特性克服了手术工具的几何形状和功能上的自然窄管腔的局限性。
此外，这种机器人还具有感知外部因素的能力，如压力和自结，以提高其灵敏度（图3c-vi）。这些特性使得该机器人在腔内手术领域具有广阔的应用前景。
▍制备过程与性能优化
机器人的制备过程包括几个关键步骤。首先是引导器的制备，在相变成分（PTC）的尖端嵌入微小的永磁体，然后是跟随器的制备，沿着PTC的轴向结合硅胶管（图4a-v）。接下来是组装过程，将引导器与跟随器的硅胶管同轴安装，使两个PTC仅轴向相对滑动。最后是表面处理，通过固化引导器和跟随器表面的水凝胶，显著减少防止相对滑动的摩擦力（图4b）。
在性能优化方面，研究团队重点关注了热管理和响应时间。他们发现，在水中需要至少0.9 A的电流才能改变PTC的刚度，而在空气中只需要0.3 A（图4d）。低熔点合金（LMPA）在两种环境中都需要几秒钟的响应时间。
研究人员还注意到，两个PTC之间的紧凑距离可能导致焦耳热通过热传递快速软化另一个刚性PTC，导致整个形状的塌陷。为了解决这个问题，他们通过模拟确定了引导器和跟随器在37°C的流体环境中加热时的温度阈值，以保持整个结构的稳定性（图4e）。
此外，研究团队还研究了温度和总电阻变化之间的关系，为精确控制提供了基础。这些优化措施大大提高了机器人的性能和可控性。
图4：机器人的准备、结构分析和热管理
▍运动控制与环境适应性
实验设备包括磁驱动系统、推进单元和源表（图5a）。其运动过程首先是引导器被推进装置推出跟踪器上的硅胶管，然后引导器被加热和软化，最后软化后的引导器被磁致动系统产生的磁场偏转。
为了优化运动效率和稳定性，研究团队确定了一些关键参数。他们发现，为了最大限度地减少重力影响，引导器的推进距离不应超过40 mm（图5b）。同时，为保持运动效率，每一步的前进距离应不小于20 mm。基于这些参数，研究人员确定了一个运动周期中引导器尖端的可接近区域和倾斜角度（图5c）。
图5：机器人的数控
实验表明，该机器人具有优秀的环境适应性。它甚至可以在复杂的地形中航行，包括攀爬和卷曲树枝。在磁操纵下，该连续体机器人能够进行FTL行为，可以在高度非结构化的环境中沿着规划的路径导航，几乎没有交互作用（图6a）。研究团队设计了一个两层环境（水和空气）的实验，机器人需要穿过水中的障碍物进入第二层，然后通过两条不同的路径到达目的地。实验结果显示，机器人能够成功完成这一复杂任务，充分展示了其优秀的环境适应性。这种出色的环境适应能力使得该机器人在复杂的生理环境中具有广泛的应用潜力。
图6：复杂环境下的磁导航
▍功能多样性与临床应用潜力
本研究深入探讨了磁操纵连续体机器人的独特能力，特别是其动态原位重构功能。实验表明，机器人能在到达目标位置后（如膀胱、心室或腹腔），沿预定路径前进并变形为适合各种外科手术或传感应用的复杂功能结构。这一能力使机器人能够克服自然管腔或进入端口对传统手术工具形状和功能的限制（图7a）。
具体而言，从管腔中出来后，机器人能在原位形成多种简单结构，包括字母（"B"、"M"、"C"、"R"）、套索和天线（图7b、C）。为实现套索功能，研究者为机器人增加了分段变刚度能力。他们在PTC的内部加热电路中增加了一个额外的电阻加热器，通过选择不同的电阻加热器，可以调节PTC的可变刚度段长度。这使得机器人在退出时能保持刚性前部形状以捕获物体（图7d）。
研究还展示了机器人形成更复杂功能结构的能力（图7e）：机器人首先沿计划轨迹移动，形成松散的打结结构，然后整个身体变得灵活，并被推进单元和梯度磁场产生的力拉紧。模拟结果显示，在50 mm范围内可以产生打结的力。这种结构增加了总阻力对压力引起的径向变形的敏感性（图7f），赋予了机器人原位充当压力传感器的潜力。
图7：各种功能结构的形成
为验证临床转化潜力，研究将机器人与常见医疗技术结合，展示了其在生物相关模型、离体器官和体内环境中的导航能力。在超声成像辅助下，研究使用了一个缩小的树脂血管模型，复制了主动脉弓周围的复杂解剖结构，置于37°C液体环境中。该模型在主动脉弓处有连续的大角度转弯，这对传统导管构成挑战（如图8a所示）。当机器人沿规划路径自主导航时，超声探头重复扫描同一路径，更新机器人在血管中的位置（图8b）。测试结果表明，机器人在穿过弯曲血管时不与血管壁接触，降低了介入手术风险。
图8：连续体机器人在幻像主动脉弓中的超声成像磁导航
在临床应用方面，研究为机器人配备了工作通道（内径0.5 mm）和带内置照明的微型照相机（外径1.2 mm），用于演示胃部病变的诊断和治疗概念（图9a）。图9b展示了实验设备和包含猪胃和食道的实际环境。在车载微型摄像机的辅助下，机器人在磁场引导下轻松穿过食道进入胃部（图9c）。在胃中发现病灶（用红色四边形和三角形表示）后，机器人将远端部署在病变附近，并通过工作通道将模拟药物（用蓝色和红色墨水表示）喷洒到病灶上。
图9：带内窥镜成像的连续机器人的磁导航用于离体胃治疗
最后，研究通过X射线成像进一步验证了机器人的临床应用潜力。在猪尸体实验中，机器人通过血管切口进入体内，并经下腔静脉进入右心房，展示了其在心脏射频消融中的潜在应用（图10a）。通过X射线成像定位，机器人能穿过上腔静脉进行神经干预，或在永磁体磁场影响下偏转到右心房进行心脏干预（图10b）。X射线图像显示，机器人能轻松通过大角度转弯进入右心房，降低了干预难度。
在活体猪实验中，研究验证了机器人在胃中形成功能单元的能力。如图10c所示，通过输注麻醉剂对猪进行生命体征麻醉，然后将其转移到X射线成像设备上。如图10d所示，在永磁体产生的磁场引导下，机器人在猪胃中原位形成了尺寸大于贲门直径的钩状结构，展示了其作为手术工具的潜力。
图10：X射线成像辅助体内/离体实验
