軟體機(jī)器人在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

王成軍，亓楊杰

1.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001

前言

傳統(tǒng)機(jī)器人主要由剛性部件組成，具有精度高、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，但環(huán)境適應(yīng)性差。軟體機(jī)器人由軟材料構(gòu)成，因而具有剛性機(jī)器人難有的連續(xù)變形、高自由度、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)［1-3］。軟體機(jī)器人表現(xiàn)出的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)使其在一些領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如醫(yī)學(xué)［4］、工業(yè)抓取［5-6］、復(fù)雜環(huán)境勘探、搜救［7-8］等。

在20世紀(jì)80年代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成功引入機(jī)器人技術(shù)之后，大量有關(guān)研究使醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展迅速，但剛性醫(yī)療機(jī)器人仍存在柔性度不足等難以突破的局限性問題［9-11］。隨著軟體機(jī)器人的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)軟體機(jī)器人能彌補(bǔ)剛性醫(yī)療機(jī)器人的一些不足，如在微創(chuàng)手術(shù)中，剛性機(jī)器人在體內(nèi)很難避開一些障礙器官，而軟體機(jī)器人可輕易避開器官［12-13］；此外，軟體機(jī)器人由軟材料構(gòu)成，對(duì)人體有較高的友好性，不會(huì)對(duì)組織及器官造成傷害［14-15］。

1 軟體機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

1.1 軟體驅(qū)動(dòng)方式

傳統(tǒng)剛性機(jī)器人多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式則主要包括流體驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金（Shape Memory Alloy,SMA）驅(qū)動(dòng)、電活性聚合物（Electroactive Polymer,EAP）驅(qū)動(dòng)。

（1）流體驅(qū)動(dòng)方式的原理是利用流體壓力使軟體材料產(chǎn)生形變。按照流體不同，可分為氣體驅(qū)動(dòng)和液體驅(qū)動(dòng)。因氣體易獲得、質(zhì)量輕，氣體驅(qū)動(dòng)是軟體機(jī)器人最常用的驅(qū)動(dòng)方式［16］。（2）SMA驅(qū)動(dòng)方式是利用材料在不同溫度下對(duì)應(yīng)不同形變量，進(jìn)而產(chǎn)生軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力。該驅(qū)動(dòng)方法具有能量密度大、結(jié)構(gòu)簡單、無噪音等優(yōu)點(diǎn)，在智能穿戴服飾中應(yīng)用較為廣泛［17］。（3）EAP 驅(qū)動(dòng)是利用材料在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生變形而實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)電場(chǎng)作用對(duì)象不同，可分為離子型EAP、電子型EAP。其中，離子聚合物金屬復(fù)合材料（Ionic Polymer Metal Composite,IPMC）驅(qū)動(dòng)是離子型EAP 驅(qū)動(dòng)典型代表。IPMC 驅(qū)動(dòng)具有變形大、驅(qū)動(dòng)電壓低等特點(diǎn)［18］，但需在水環(huán)境中進(jìn)行，適用于水下軟體機(jī)器人［19］。介電彈性體（Dielectric Elastomer,DE）驅(qū)動(dòng)屬于電子型EAP 驅(qū)動(dòng)，具有質(zhì)輕、能量密度大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是人工肌肉的最佳選擇［20-21］。

此外，還有磁驅(qū)動(dòng)［22］、生物驅(qū)動(dòng)［23］等驅(qū)動(dòng)方式，這些驅(qū)動(dòng)方式促進(jìn)了無系留軟體機(jī)器人的發(fā)展，如藥物輸送軟體機(jī)器人。

1.2 建模與控制

對(duì)軟體機(jī)器人進(jìn)行分析，需要建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。其中，運(yùn)動(dòng)學(xué)建模常采用分段常曲率（Piecewise Constant Curvature,PCC）模型［24］。對(duì)軟體機(jī)器人變形的變曲率進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，可將其分割成多個(gè)微小段，然后采用微分方程等方法確定末端的空間位置［25］。對(duì)于動(dòng)力學(xué)建模，可根據(jù)能量守恒定律得到動(dòng)力學(xué)方程。Mustaza 等［26］利用改進(jìn)的Kelvin-Voigt材料模型結(jié)合Lagrange方程建立軟體機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型；Xu等［27］使用Kane法建立電纜驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)械臂在粘性流體環(huán)境中的動(dòng)力學(xué)模型。

軟體機(jī)器人控制方面的研究包括基于模型控制和無模型控制［28］?；谀Ｐ涂刂剖侵咐眠\(yùn)動(dòng)學(xué)模型或動(dòng)力學(xué)模型的控制方法。Bieze等［29］基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型提出了一種軟機(jī)械手的閉環(huán)靜態(tài)控制模型；Santina等［30］提出基于PCC 假設(shè)模型的二維軟體機(jī)器人動(dòng)態(tài)控制策略。無模型控制可在建模困難、建模精度不夠時(shí)采用。軟體機(jī)器人現(xiàn)階段建模方法精度不高，因此無模型控制成為一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。Li等［31］以氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人為例，提出一種基于自適應(yīng)卡爾曼濾波器的無模型控制方法；Turan 等［32］采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)磁驅(qū)動(dòng)膠囊型軟體機(jī)器人的動(dòng)作控制。

1.3 制造技術(shù)

目前，軟體機(jī)器人的制造方法有澆鑄成型、3D打印、沉積成型（Shape Deposition Manufacturing,SDM）等。澆鑄成型是將硅膠等軟彈性液體澆注進(jìn)模具成型的工藝，它對(duì)于結(jié)構(gòu)簡單和材料單一的軟體機(jī)器人較為常用［33］，其缺點(diǎn)是需要單獨(dú)設(shè)計(jì)模具、制造周期長。3D打印屬于增材制造，成型速度較快，是軟體機(jī)器人主流制造方法之一。Georgopoulou 等［34］使用熔融沉積成型方法制造出一種氣動(dòng)執(zhí)行器；Zhou等［35］提出使用直接墨水書寫技術(shù)打印出高彈性硅膠的方法，并成功制造出氣動(dòng)人工肌肉。SDM 通過材料沉積，再進(jìn)行部分加工，從而達(dá)到制造目的，可與嵌入成型方法相結(jié)合。Gafford 等［36］應(yīng)用SDM 技術(shù)將傳感元件與電纜等零件封裝到抓鉗的內(nèi)部。SDM技術(shù)還被證明適合用于微尺度軟體機(jī)器人的制造［37］。

軟體機(jī)器人的每一種制造方法都有其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合軟體機(jī)器人的材料、結(jié)構(gòu)、成本等選擇合適的制造方法。

1.4 變剛度方法

軟體機(jī)器人具有高柔性特點(diǎn)，但在完成一些任務(wù)時(shí)既需要柔性特征，又需要?jiǎng)傂蕴卣鳎?2,38］。因此，變剛度是軟體機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，軟體機(jī)器人變剛度方法主要有基于層干擾變剛度［39］、基于阻塞原理變剛度［40］、基于材料相變變剛度［41］、基于耦合結(jié)構(gòu)變剛度［42］。其中，基于阻塞原理變剛度方法簡單且效果好，是最常用的變剛度方法；基于層干擾變剛度方法在小范圍內(nèi)變剛度效果較好；基于材料相變變剛度方法可實(shí)現(xiàn)剛度大幅度改變，但需提供相變激活系統(tǒng)；基于耦合結(jié)構(gòu)變剛度方法是利用結(jié)構(gòu)的冗余現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)，該方法簡單，但效果不佳。

2 醫(yī)療軟體機(jī)器人

目前，醫(yī)療軟體機(jī)器人按照用途主要可分為：外科手術(shù)軟體機(jī)器人、康復(fù)及輔助軟體機(jī)器人、藥物輸送軟體機(jī)器人、心臟治療軟體機(jī)器人。

2.1 外科手術(shù)軟體機(jī)器人

手術(shù)是重要的治療手段，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用可提高手術(shù)效率及成功率。軟體機(jī)器人在外科手術(shù)的應(yīng)用研究以微創(chuàng)手術(shù)最為典型［43］。

微創(chuàng)手術(shù)應(yīng)用軟體機(jī)器人的研究主要集中在軟體操縱器及軟體抓鉗方面。軟體操縱器通常用作其它手術(shù)工具的載體，利用軟體機(jī)器人的高自由度及柔軟特性保障運(yùn)動(dòng)的安全性。Ranzani等［44］設(shè)計(jì)了一種基于章魚手臂原理的變剛度軟體操縱器（圖1），基于顆粒堵塞原理實(shí)現(xiàn)軟操縱器的剛度變化，滿足安全避障及手術(shù)穩(wěn)定性要求。Wang 等［45］將內(nèi)窺鏡、活檢鉗等工具嵌入其設(shè)計(jì)的電纜驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人（圖2），并在完整軟體機(jī)器人系統(tǒng)下完成其性能測(cè)試；Diodato等［46］將帶有內(nèi)窺鏡的氣動(dòng)軟體操縱器成功融入達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)（圖3），實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人與傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的協(xié)同工作。傳統(tǒng)的剛性抓鉗抓取力不易控制，容易損傷組織［47］，因此，Huan 等［14］設(shè)計(jì)了兩種微創(chuàng)手術(shù)用軟體抓鉗：離散軟體抓鉗和連續(xù)軟體抓鉗（圖4），抓鉗的上下顎采用軟體材料，接觸面積會(huì)隨抓取力作相應(yīng)調(diào)整，相互之間的壓力不會(huì)急劇增大，大大降低了組織遭到破壞的可能性。

圖1 雙模塊氣動(dòng)軟體操縱器Figure 1 Dual module pneumatic soft manipulator

圖2 電纜驅(qū)動(dòng)軟體操縱器Figure 2 Cable actuated soft manipulator

圖3 軟體操縱器嵌入方式Figure 3 Soft manipulator embedding mode

圖4 離散軟體抓鉗和連續(xù)軟體抓鉗Figure 4 DJ soft grasper and CJ soft grasper

除在微創(chuàng)手術(shù)外，在一些其它精度要求和敏感性高的手術(shù)中，軟體機(jī)器人也有應(yīng)用。Guo等［48］針對(duì)神經(jīng)修復(fù)手術(shù)設(shè)計(jì)了一種雙臂型軟體機(jī)器人夾持系統(tǒng)（圖5），其氣動(dòng)夾持器的夾緊力可有效控制在安全范圍內(nèi)雙臂的固定氣動(dòng)鎖，為手術(shù)提供穩(wěn)定的環(huán)境；Kanno等［49］設(shè)計(jì)了一種眼科手術(shù)輔助用單自由度軟體機(jī)器人（圖6），采用氣體驅(qū)動(dòng)，外部纏繞線圈限制驅(qū)動(dòng)器徑向膨脹，軸向變形可推動(dòng)針頭完成相應(yīng)的動(dòng)作。

圖5 雙臂式軟體機(jī)器人夾持系統(tǒng)Figure 5 Dual arm soft robot clamping system

圖6 眼科手術(shù)用軟體機(jī)器人Figure 6 Soft robot used in ophthalmic surgery

外科手術(shù)用軟體機(jī)器人目前采用的材料主要是硅膠，安全可靠，滿足手術(shù)環(huán)境要求；驅(qū)動(dòng)方式多采用氣體驅(qū)動(dòng)或電纜驅(qū)動(dòng)。

2.2 康復(fù)及輔助軟體機(jī)器人

對(duì)于肢體功能障礙的人群，需要長期康復(fù)治療及日常生活輔助。采用機(jī)器人能提高康復(fù)訓(xùn)練便利性及治療效果，且使用成本低。軟體機(jī)器人與剛性機(jī)器人相比，具有安全性高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，更適用于康復(fù)治療及肢體功能輔助。

針對(duì)上肢康復(fù)及輔助的研究主要集中在手部。Hong等［50］設(shè)計(jì)了一種6指軟體機(jī)器人（圖7），置于腕部的軟氣動(dòng)執(zhí)行器能幫助完成部分日常抓取動(dòng)作，提高手部功能障礙者的生活便利性；Taylor等［51］提出一款熱驅(qū)動(dòng)式用于手指康復(fù)的軟體機(jī)器人，采用相變石蠟材料作為驅(qū)動(dòng)，可省去泵、閥門等部件；Patterson 等［52］研發(fā)一種軟體康復(fù)手套（圖8），可實(shí)現(xiàn)每根手指康復(fù)性訓(xùn)練的單獨(dú)控制。目前輔助運(yùn)動(dòng)設(shè)備主要面向成人，針對(duì)兒童的設(shè)計(jì)較少。Kokkoni等［53］研發(fā)了一種可穿戴軟體機(jī)器人（圖9），能輔助和訓(xùn)練具有腦損傷或上肢殘疾的嬰兒進(jìn)行上肢運(yùn)動(dòng)。

圖7 6指軟體機(jī)器人Figure 7 Six-finger soft robot

圖8 軟體康復(fù)手套Figure 8 Soft rehabilitation glove

圖9 上肢康復(fù)軟體機(jī)器人Figure 9 Upper limb rehabilitation software robot

在下肢康復(fù)及功能輔助方面，軟體機(jī)器人也有應(yīng)用案例。Low 等［54］研制出一種軟氣動(dòng)裝備（圖10），可輔助患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，預(yù)防深靜脈血栓形成；Kim 等［55］研發(fā)了一款SMA 線驅(qū)動(dòng)的智能服裝（圖11），SMA 線驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力可為踝關(guān)節(jié)提供一定輔助力，減輕人體行走時(shí)的負(fù)擔(dān)。目前，智能服裝中采用的SMA 材料工作溫度普遍較高，需要使用隔熱保溫材料，能源消耗較大。Ozbek等［56］針對(duì)較低激活溫度的SMA 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)，在臨近室溫的溫區(qū)內(nèi)能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力，可滿足智能服裝的使用需求；但由于其在低于室溫到室溫之間也存在一定驅(qū)動(dòng)力，具有低溫不可控性。

圖10 軟氣動(dòng)裝備Figure 10 Soft pneumatic equipment

圖11 SMA線驅(qū)動(dòng)智能服裝Figure 11 SMA wire actuated smart clothing

康復(fù)型軟體機(jī)器人采用氣體驅(qū)動(dòng)方式居多，雖然氣源泵不易攜帶，但可滿足居家康復(fù)訓(xùn)練要求。肢體輔助軟體機(jī)器人需要較強(qiáng)的便攜性，采用輕便、能量密度大的智能材料驅(qū)動(dòng)方式是其未來發(fā)展的主要趨勢(shì)。

2.3 藥物輸送型軟體機(jī)器人

藥物定向輸送對(duì)于治療某些疾病非常重要。如癌癥治療中因藥物到達(dá)腫瘤靶細(xì)胞的效率低下，導(dǎo)致藥物的有效性大大降低［57］，加大藥物的劑量不僅造成了浪費(fèi)，還增加了藥物的副作用［58］，采用藥物輸送機(jī)器人可解決此問題。

磁驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)無線驅(qū)動(dòng)，且對(duì)人體無害，因此被廣泛應(yīng)用在藥物輸送軟體機(jī)器人中［59］。Yim 等［60］提出一種半植入式形狀可變磁驅(qū)動(dòng)膠囊式軟體機(jī)器人（圖12），該機(jī)器人能在磁場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)球形和圓柱形態(tài)相互轉(zhuǎn)變，達(dá)到進(jìn)出及停留在胃部的目的。Li等［61］設(shè)計(jì)出一種磁性驅(qū)動(dòng)微型軟體機(jī)器人（圖13），包括8個(gè)花瓣?duì)畹能涹w徑向臂，由含有磁性顆粒的雙層結(jié)構(gòu)水凝膠制成，通過磁場(chǎng)及pH 值刺激完成藥物的靶向傳遞；Lee 等［62］研制出一種彈簧型磁驅(qū)動(dòng)水凝膠式微型軟體機(jī)器人（圖14），采用紅外刺激誘導(dǎo)藥物釋放；Mushtaq 等［37］研發(fā)出仿電鰻混合軟體納米機(jī)器人（圖15），可在不同磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)等三維運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將藥物輸送至靶點(diǎn)位置，而且柔性尾巴在磁場(chǎng)作用下，利用壓電效應(yīng)能實(shí)現(xiàn)藥品定量釋放。

圖12 形狀可變膠囊式軟體機(jī)器人Figure 12 Capsule soft robot of variable shapes

圖13 pH值響應(yīng)型軟體機(jī)器人Figure 13 Soft robot response to pH value

圖14 彈簧型水凝膠式軟體機(jī)器人Figure 14 Spring-type hydrogel soft robot

圖15 仿電鰻混合軟體納米機(jī)器人Figure 15 Hybrid soft nano-robot imitating electric eel

藥物輸送軟體機(jī)器人需要在體內(nèi)移動(dòng)，形狀微小，不宜攜帶電池等能源；因磁場(chǎng)安全可靠，能有效解決軟體機(jī)器人移動(dòng)動(dòng)力問題，磁驅(qū)動(dòng)成為藥物輸送軟體機(jī)器人最常用的驅(qū)動(dòng)方式。除了磁驅(qū)動(dòng)外，生物驅(qū)動(dòng)也是藥物輸送軟體機(jī)器人的一個(gè)研究方向。Singh 等［23］設(shè)計(jì)出一種將細(xì)菌與W/O/W 微乳相結(jié)合的生物雜交軟體機(jī)器人，他們?cè)隗w外實(shí)驗(yàn)中采用大腸桿菌與微乳結(jié)合，驗(yàn)證了該雜交軟體機(jī)器人的可實(shí)施性，為藥物輸送機(jī)器人的研究提供了新的方向。

2.4 心臟治療軟體機(jī)器人

心臟衰竭是心臟惡化的最終走向，其治療的根本方法是更換心臟；但心臟供體遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，因此心室輔助裝置（Ventricular Assist Devices,VADs）成為缺少供體時(shí)的替代治療方法。

哈佛大學(xué)、波士頓兒童醫(yī)院心臟外科等機(jī)構(gòu)針對(duì)心臟衰竭問題提出一系列輔助治療措施［63-68］。針對(duì)目前VADs 容易造成血栓、心臟模擬性較低等問題，Roche等［63］設(shè)計(jì)出一種軟體機(jī)器人用于輔助心臟工作（圖16a）。軟執(zhí)行器由PAM 制成的圓周執(zhí)行器和螺旋扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器組合而成，可單獨(dú)或同時(shí)使用。該軟體機(jī)器人采用直接壓縮式輔助心臟工作，克服了形成血栓等問題，但對(duì)于單心室異常引起的室間隔異常問題還存在技術(shù)瓶頸。Horvath等［64］提出一種固定在右心室自由壁和室間隔上的軟體機(jī)器人（圖16b），其氣動(dòng)線性執(zhí)行器在心室內(nèi)，存在氣動(dòng)回路泄漏導(dǎo)致發(fā)生空氣栓塞的危險(xiǎn)。Payne 等［65］設(shè)計(jì)了另一種固定在心室自由壁和室間隔上的軟體機(jī)器人（圖16c），其線性驅(qū)動(dòng)器放置在心室外，避免發(fā)生空氣栓塞的問題，同時(shí)該軟體機(jī)器人將室中隔和自由壁的作用更好的發(fā)揮出來，使心室的射血能力顯著增強(qiáng)。

圖16 軟體機(jī)器人式VADsFigure 16 VADs of soft robot

在心臟瓣膜置換治療方面，Ohlmann等［69］依據(jù)現(xiàn)有人工瓣膜存在的缺陷，設(shè)計(jì)出一種軟體機(jī)器人式人工主動(dòng)脈瓣膜，能利用心室收縮壓擴(kuò)大有效孔區(qū)面積，避免發(fā)生人工心臟瓣膜患者心臟不匹配問題。

無論是VADs 還是人工主動(dòng)瓣膜，都屬于長期植入體內(nèi)設(shè)備，受現(xiàn)有技術(shù)的限制，目前尚未達(dá)到臨床試驗(yàn)水平。

3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域軟體機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)

軟體機(jī)器人的研究起步較晚，有許多技術(shù)不夠成熟。其應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）提高軟體材料的安全性，優(yōu)化軟體機(jī)器人制造技術(shù)。醫(yī)療軟體機(jī)器人與人體接觸，因此對(duì)材料的安全性要求更高，尤其對(duì)于植入性心室輔助用軟體機(jī)器人，需在體內(nèi)具有長期相容性，不會(huì)產(chǎn)生免疫反應(yīng)，目前使用的材料只被證明短期內(nèi)適合使用［63-65］?？审w內(nèi)降解是藥物輸送軟體機(jī)器人的一個(gè)重要研究方向，目前用作軟體機(jī)器人的材料難以實(shí)現(xiàn)體內(nèi)完全無害降解［70］。微型軟體機(jī)器人可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)、體內(nèi)藥物輸送等方面，其尺寸微小，制造困難且對(duì)軟體材料的要求較高［60-62,71］。因此，對(duì)軟體材料及制造方法仍需繼續(xù)深入研究。

（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)向集成化、多樣化發(fā)展。氣體驅(qū)動(dòng)是目前醫(yī)療軟體機(jī)器人中應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，但氣體驅(qū)動(dòng)需要大量額外附件，便捷性差［50］。在醫(yī)療軟體機(jī)器人中，以SMA 為代表的智能材料驅(qū)動(dòng)器主要應(yīng)用于智能穿戴服飾，其它方面應(yīng)用較少［55］。微小、無系留、不適合搭載電源等是藥物輸送軟體機(jī)器人的特點(diǎn)。目前，其大多采用含有磁性材料的執(zhí)行器搭載磁驅(qū)動(dòng)方式［37,60-62］，單一的磁驅(qū)動(dòng)在藥物運(yùn)輸中存在一定的局限性，有研究采用磁驅(qū)動(dòng)與紅外刺激［62］、pH值刺激［61］等混合驅(qū)動(dòng)方式解決此問題；但人體內(nèi)情況復(fù)雜，混合驅(qū)動(dòng)的方法也難以滿足更多應(yīng)用需求，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究應(yīng)向集成化、多樣化發(fā)展。

（3）建模理論有待完善，控制精度不高。軟材料的變形屬于連續(xù)的非線性變形，且其具有較高的響應(yīng)延遲性［72］，這對(duì)軟體機(jī)器人的建模與控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。目前，由于軟體機(jī)器人的建模大都基于PCC 模型假設(shè)［24］，雖然使軟體機(jī)器人的建模得到極大簡化，但導(dǎo)致模型存在較大的誤差。模型的精確程度與基于模型控制方法的精準(zhǔn)程度息息相關(guān)。因此，對(duì)軟體機(jī)器人模型的精準(zhǔn)建立是未來工作的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。無模型控制對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型雖然無要求，但其目前普遍存在訓(xùn)練時(shí)間長、精度不夠等問題［32］。

4 總結(jié)與展望

軟體機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)包括驅(qū)動(dòng)方式、建模與控制、制造技術(shù)以及變剛度方法，關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展決定了軟體機(jī)器人的應(yīng)用前景。目前，軟體機(jī)器人在手術(shù)、康復(fù)及輔助、藥物輸送、心臟治療方面都有應(yīng)用。其中部分康復(fù)治療型軟體機(jī)器人的技術(shù)較為成熟，可在臨床中使用；而外科手術(shù)軟體機(jī)器人、藥物輸送軟體機(jī)器人、心臟治療軟體機(jī)器人大多處于設(shè)計(jì)階段，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本是體外實(shí)驗(yàn)測(cè)得，距離臨床應(yīng)用的要求還存在一定差距。

隨著軟體機(jī)器人在材料、驅(qū)動(dòng)方式、建模理論、控制方法等方面的不斷創(chuàng)新、完善和發(fā)展，軟體機(jī)器人終究能達(dá)到臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)更廣泛。軟體機(jī)器人與傳統(tǒng)剛性機(jī)器人共同協(xié)作可為醫(yī)學(xué)治療提供更多解決方案，提高醫(yī)療效率。