利兹大学最新研究！肌腱驱动模块化连续体机器人

肺癌早筛的核心难点，在于精准抵达气道深处微小病灶。传统软硬式支气管镜转弯灵活性不足，商用机器人辅助支气管镜设备结构繁复、改造成本高昂，而软体柔性器械又存在操控精度不足、力传导薄弱等短板，长期制约肺部外周结节活检技术落地。

近期，英国利兹大学研究团队在《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》发布全新研究成果“Spring-Based Tendon-Driven Continuum Robots for Compact Modular Designs in Endoluminal Applications"，提出一款基于连续螺旋弹簧骨架与自锚定间隔盘的肌腱驱动模块化连续体机器人，以极简机械结构兼顾纤细机身、大内径操作通道与全场景可重构能力，为腔道微创介入器械开辟轻量化定制化全新方案。

研究背景：抵达肺部外周小结节的临床难题

支气管镜是肺部结节筛查、病灶活检的核心临床器械，但传统硬质、柔性支气管镜存在先天短板。人体气道逐级分叉、管径持续收窄，外周肺部小结节藏匿于迂曲细支气管末端，常规器械转弯灵活性不足，很难抵达目标区域。目前商用机器人支气管系统虽提升了病灶可达性，却依赖高度复杂的机械装配结构，整机成本高昂，且无法根据不同患者气道解剖、不同手术需求快速调整构型，定制化改造成本很高。

针对现有设备的诸多短板，利兹大学科研团队确立了清晰研发目标：打造一款纤细、可快速重构的连续体机器人，无需整机重新设计即可完成模块化调整，机身内置贯通式中心通道，能够同步搭载微型摄像头、照明光源与活检穿刺针，适配远端气道的微创导航与取样操作。

方案设计：搭载自锚定间隔盘的弹簧骨架结构

以前的研究大多采用多个3D打印螺旋件拼接构成机器人主体，本次研究另辟蹊径，选用一体化螺旋弹簧作为柔性骨架，搭配自主设计的间隔盘套接在弹簧本体，以此划分机器人分段边界、规范肌腱走线路径。间隔盘与弹簧采用匹配螺距的螺纹啮合结构，仅依靠摩擦力即可完成自锁固定，全程无需胶水、螺丝等额外紧固件，这套自锚定结构正是设备模块化的核心根基。研发人员仅通过调整圆盘间距、分段长度、肌腱排布方式，就能快速变更机器人整体构型，大幅缩短迭代周期。

基于该架构，团队完成双段七肌腱机器人原型开发，近端采用外置式间隔盘，远端搭配内嵌式间隔盘，内外圆盘呈同心分层排布。整机最小外径仅4.2mm，内部预留2.4mm大尺寸贯通通道，足以容纳全套成像与活检器械，平衡微型化与功能性需求。

精密赋能：微纳3D打印的核心应用价值

基于该架构，团队完成双段七肌腱机器人原型开发，近端采用外置式间隔盘，远端搭配内嵌式间隔盘，内外圆盘呈同心分层排布。整机最小外径仅4.2mm，内部预留2.4mm大尺寸贯通通道，足以容纳全套成像与活检器械，平衡微型化与功能性需求。

这套同心分层结构能否稳定装配、顺畅运动，取决于间隔盘的加工精度，其中内嵌一号圆盘是精度管控核心。该零件需要顺滑旋合在弹簧中径上，同时预留空间容纳外层二号圆盘，整机整体尺寸仅略大于医用粗穿刺针，加工容错空间极小。只要尺寸公差出现轻微偏差，圆盘就会出现装配卡滞，或是挤占肌腱孔、中心通道的预留空间，直接导致设备失效。

普通3D打印、传统机械加工均无法满足该零件严苛的微米级公差要求，研究团队最终选用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S140，精度：10μm）制备一号内嵌圆盘，精准复刻微型螺纹、微小走线孔等跨尺度精细结构，保障内外圆盘同心装配。研发团队初期采用常规光固化成型设备试制核心间隔盘，成品几何尺寸一致性不佳，机器人运行阶段极易发生肌腱卡滞故障，弯折调控、活检取样等核心动作稳定性无法满足使用要求。后续团体选用S140 3D打印系统加工内置精密圆盘，零件尺寸超差问题得到解决，肌腱走线路径流畅无阻滞，机器人全部运动姿态均可精准、稳定复现。

性能核验：机器人性能实测结果

原型机加工装配完成后，研究团队开展多维度系统性验证测试。在工作空间标定实验中，研究人员随机驱动全部7根肌腱，采集近25000组末端点位数据，结果证实机器人具备全向弯折能力，最大弯折角度超过310°，极限形变工况下机身结构、肌腱走线均不会发生偏移、损坏。针对运动模型的对照试验显示，分段常曲率运动学模型对机器人末端点位的预测平均误差仅4mm，误差范围小于机器人自身外径，仿真与实物运动高度匹配。

为还原真实临床场景，团队依托患者临床CT数据3D打印人体肺部气道模型开展导航试验。机器人成功抵达分布于不同气道层级的4处预设病灶靶点，靶点平均定位误差仅2.35mm，单次完整导航耗时区间为67至82秒；抵达目标后，器械可稳定伸出活检针完成模拟组织取样，贴合临床支气管镜手术操作流程。

本研究充分验证了微纳3D打印技术对新型机器人机械架构研发的支撑价值，诸多此前难以工程落地的创新结构，均可依托该工艺实现产业化试制。本次技术突破并非单纯对现有器械进行小型化迭代，而是借助微纳3D打印技术，将弹簧自锁螺纹圆盘一体化构型应用于毫米级微创医疗设备，形成全新机械设计范式。该研究也清晰揭示行业共性技术瓶颈：在驱动系统、运动控制算法等上层模块成为性能短板前，高公差要求精密零部件的加工制造，往往会成为制约新型设备方案落地的首要关卡。