面向微创手术的气电混合人工肌肉操作臂基础理论与技术研究

Most commissioned operation arms used in minimally invasive surgery are rigid and straight rod structures, which have the drawbacks of low degree of freedoms and large stiffness. These drawbacks severely impede the development of new method of minimally invasive surgery such as intraluminal and transluminal approaches. Therefore, this project aims to develop a new design theory and novel flexible actuated method for soft and flexible operation arm in minimally invasive surgery with multi-degree of freedom and tunable stiffness based on dielectric elastomers (DEs) and discrete jamming smart structures. In this project, firstly, in order to improve the driving force and reduce the driving voltage of DEs, a new concept of electro-pneumatic hybrid driving method with two different driving modes is introduced, and its driving mechanism is studied, this new multi-mode method is expected to overcome the drawbacks of DE soft actuations. Secondly, to improve the kinematic dexterity and structural stability of the new operation arm, a rigid-flexible coupling design method is proposed, based on the rigid-flexible coupling dynamics and structure stability theory. Finally, to improve the stabilization of pose state of soft arm during operations, a new concept of anisotropic fiber jamming stiffness regulation method is proposed. Moreover, the stiffness regulation mechanism and design theory are studied to achieve a stiffness tunable function for the soft operation arm. This project favors not only important development of new rigid-flexible coupled operation arm in minimally invasive surgery, but will promote the practical applications of smart materials and structures.

现役微创手术操作臂多采用刚性直杆结构，存在刚性大和自由度低的问题，严重阻碍自然腔道微创手术新模式的发展。因此，本项目基于介电弹性体（Dielectric Elastomers简称DE）人工肌肉以及离散材料堵塞机理，提出一种具有多自由度灵活运动及变刚度功能的微创手术操作臂设计方案，并围绕其相关基础理论和技术开展研究。项目首先针对DE驱动力不足的问题，提出一种兼具大驱动力和低驱动电压的双模式气电混合驱动新方法，并研究其驱动机理。其次，为使操作臂兼具运动灵活性及结构稳定性，提出一种刚柔耦合设计方案，并从刚柔耦合运动及失稳机理角度出发，研究其刚柔耦合优化设计理论。最后，为解决操作臂位姿保持能力弱的问题，提出一种各向异性纤维堵塞刚度调节方法，对其变刚度机理及设计理论开展深入研究以实现操作臂的刚度调控功能。研究成果对于开发新型刚柔耦合微创手术操作臂及促进柔性智能材料和智能结构的应用具有重要的实际意义。

现役微创手术操作臂多采用刚性直杆结构，存在刚性大和自由度低的问题，严重阻碍自然腔道微创手术新模式的发展。因此，本项目基于介电弹性体（Dielectric Elastomers简称DE）人工肌肉以及离散纤维材料堵塞机理，提出一种具有多自由度灵活运动及变刚度功能的微创手术操作臂设计方案，并围绕其相关基础理论和技术开展研究。项目首先针对DE驱动力不足的问题，设计了一种基于纤维复合方法的DE人工肌肉复合材料，并实现了对DE材料的各项异性改进，利用这种新型DE复合材料实现了一种气电混合驱动人工肌肉单元；基于连续介质力学及热力学自由能理论建立DE气动强化单元的气电混合驱动模型。然后，基于纤维复合DE材料的气电混合驱动特性，提出了一种具有对抗特点的多自由度气-电混合DE弯曲驱动器。基于这一设计，通过实验研究了纤维分布密度、环向预拉伸、柔性电极面积、驱动器直径、DE薄膜层数以及支撑气压对驱动弯曲及阻挡力的影响规律。之后，结合环节门生物仿生设计及3D打印技术成功制备了一种纤维复合DE+硬质内骨骼的刚柔耦合操作臂驱动单元；基于热力学自由能理论与非线性有限元求解技术，建立了气电混合+刚柔耦合驱动单元的物理模型，利用模型和实验，深入研究了系统刚柔成分的分布及比例等因素对耦合运动及高强气压下结构稳定性的影响规律，并进一步揭示出气压主导+电压诱导的驱动机理与临界气压范围。最后，基于纤维堵塞和柔性自锁原理，设计了一种柔性外骨骼变刚度结构，实现了超过一个数量级的刚度调节功能；通过大量实验获得了堵塞纤维参数、堆叠密度及方式等因素对刚度调控能力的影响规律；搭建了人体喉部手术实验模拟平台，实现了人体模型的介入、穿刺及药物输送实验。研究成果对于开发新型刚柔耦合微创手术操作臂及促进柔性智能材料和智能结构的应用具有重要的实际意义。