A Multi-Vine Soft Robot Enabling Accessible Working Channel and Steering

技术摘要：一种实现可访问工作通道与转向的多藤蔓软体机器人

问题陈述
软体翻转机器人（或称“藤蔓机器人”）通过尖端生长的方式，能够以极小的摩擦力进行生长，因此在人类结肠等复杂狭窄环境的导航中具有巨大的潜力。然而，其导航性能高度依赖于与环境的相互作用，且剧烈的方向变化往往超出了被动生长的能力范围，因此需要主动转向机制。此外，现有需要负载递送（例如微创手术工具）的应用在当前设计中面临限制。以往尝试在藤蔓主体内集成工作通道的做法，限制了工具尺寸，引入了摩擦，并将环境访问严格限制在机器人的尖端。因此，需要一种既能实现主动转向，又能促进工具递送，且无需将通道嵌入生长中的藤蔓结构内的系统。

方法论
作者提出了一种多藤蔓架构，该架构由两根藤蔓机器人组成，并通过软质安装端部与外部集成的工作通道耦合。该系统使用低密度聚乙烯（LDPE）薄片（厚度为 0.06 mm）通过超声波焊接成矩形管，加压后直径分别扩展至 10 mm 和 20 mm。工作通道是一个外径为 6 mm 的硅胶管，通过软织物帽将两根藤蔓与通道连接在一起并进行锚定。

控制策略依赖于两根藤蔓的独立驱动：

• 直线生长： 两根藤蔓以相同的压力进行充气，使工作通道能够自由推进。
• 转向： 为了实现转弯（例如左转），在工作通道锁定的情况下，对右侧的藤蔓进行加压。这种不对称驱动会诱发结构失稳（buckling），从而实现剧烈的方向变化。反向操作则用于实现相反方向的转向。
• 生长控制： 通过手动控制工作通道的推进速度来调节系统的生长速度，并确保软帽保持在预定位置。

核心贡献

• 多藤蔓架构： 引入了由双藤蔓系统与外部工作通道耦合的架构，将转向机制与负载递送路径解耦。
• 外部工作通道： 该设计实现了从基座到尖端的完整工作通道，且无需将其嵌入藤蔓主体内部，从而减少了摩擦并放宽了工具尺寸限制。
• 主动转向机制： 利用不对称加压诱发失稳的方法，实现了生长过程中的锐角转向（接近 90 度）。

结果
实验表征表明，添加软帽并未明显改变生长所需的压力。虽然较小直径的藤蔓（10 mm）由于摩擦增加需要更高的生长压力，但这些压力仍远低于爆破压力，表明具有足够的安全裕量。

• 开放环境： 多藤蔓系统成功实现了向前生长并完成了受控转向，准确地定位并进入了管道开口。
• 受限环境： 在一个具有真实尺寸的硅胶结肠模型中，直径 10 mm 的系统在携带工作通道的情况下，成功通过了一个 90° 的弯道。尽管该模型材料的润滑程度低于真实的结肠（这增加了摩擦），系统仍成功完成了任务。

意义与主张
本文声称，该架构显著提高了翻转机器人在开放和受限环境中的导航性能。通过维持一个外部集成的工作通道，该系统解决了现有设计的关键局限，实现了更不受限的工具递送。作者指出，多藤蔓机器人展示了足够的机动性，使其能够通过结肠模型生长，这为那些可能依赖壁面接触力（可能导致不适）的单根较细藤蔓场景提供了潜在的解决方案。这项工作强调了该架构在医疗及非医疗领域的广泛应用潜力，未来的工作计划定量表征转向性能的增益，并开发工作通道，以实现沿机器人整个长度（而非仅在尖端）的工具访问。