采用尼龙12材料的多射流熔融3D打印技术制造同心管机器人可行性研究

1. 引言

同心管机器人是一种针状、灵活的机械手，由预弯曲、可伸缩嵌套的管件组成。它们能够独立平移和旋转，结合弹性相互作用，可实现类似触手的弯曲运动，非常适合微创手术应用。传统上，CTR由超弹性镍钛诺制造，但由于实现预定曲率所需的热处理工艺复杂，其制造面临挑战。本研究探讨了使用多射流熔融增材制造技术与尼龙12聚合物作为镍钛诺替代材料的可行性，旨在简化和加速CTR的原型制作。

2. 材料与方法

研究方法包括表征MJF打印的尼龙12材料，并测试其在CTR相关场景下的性能。

2.1 多射流熔融技术

MJF由惠普公司开发，是一种粉末床熔融工艺。它逐层沉积材料粉末（尼龙12），利用红外能量加热，并使用化学试剂（熔融剂和细化剂）来促进精确的热熔合。与选择性激光烧结相比，MJF具有更高的尺寸精度、更精细的分辨率以及制造更薄壁结构的能力——这些对于制造CTR小型、复杂的管件至关重要。制造工作外包给了Proto Labs公司。

2.2 应力-应变特性表征

根据ASTM D638标准，在Instron 5500R万能试验机上使用“狗骨”试样进行了拉伸测试。目的是确定材料的线弹性范围和杨氏模量（$E$），这些是建模CTR力学行为和预测其性能的关键参数。

2.3 疲劳测试

为了评估在重复弯曲下的耐久性——这是手术机器人的关键要求——进行了疲劳测试。将一根尼龙12管（外径：3.2毫米，壁厚：0.6毫米，曲率半径：28.26毫米）在一个空心轴内循环拉直，然后释放回其弯曲状态。此循环是自动化的，重复了200次，每10个循环进行一次视觉记录，以监测裂纹或失效情况。

2.4 面内弯曲验证

设计了一项实验，以验证由Webster等人提出的同心管力学模型是否适用于MJF打印的尼龙12管。该模型根据两个同心对齐管的各自预曲率和弯曲刚度来预测其平衡曲率。

3. 结果与讨论

关键实验结果

材料性能：拉伸测试提供了MJF尼龙12的杨氏模量，这是CTR力学模型的关键输入。
疲劳性能：尼龙12管承受了200次拉直和释放循环，未出现可见损伤或失效，相较于先前因脆性而闻名的SLS制造管，这是一个显著的改进。
模型验证：初步结果表明，面内弯曲模型可以应用于MJF尼龙12管，表明其力学行为是可预测的。

研究表明，MJF克服了SLS在此应用中的关键限制，主要涉及分辨率和壁厚。成功的疲劳测试是一个关键结果，解决了聚合物基CTR的一个主要弱点。然而，论文暗示，需要进一步对弯曲力、滞后现象和长期循环性能（>1000次循环）与镍钛诺基准进行定量比较。

4. 技术细节与数学模型

CTR的核心力学由管件之间的弹性相互作用决定。对于两个在同一平面内弯曲的对齐管，其平衡曲率（$\kappa$）由下式给出：

$\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + E_2 I_2 \kappa_2}{E_1 I_1 + E_2 I_2}$

其中：

$E_i$ 是管 $i$ 的杨氏模量（通过尼龙12的拉伸测试获得）。
$I_i$ 是管 $i$ 横截面的面积二次矩。
$\kappa_i$ 是管 $i$ 的预曲率。

该模型假设为线弹性并忽略扭转。本研究的弯曲验证实验旨在测试该模型对于MJF尼龙12材料体系的有效性。

5. 分析框架：一个非代码案例研究

场景： 一个研究实验室旨在为一项精细的神经外科手术开发一个患者专用的CTR。所需的尖端路径具有复杂的多曲线形状。

框架应用：

设计与仿真： 使用医学影像（如MRI）对期望路径进行建模。基于力学模型（$\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + ...}{...}$），利用逆运动学计算管的预曲率。模型使用MJF尼龙12的材料属性（$E$）运行。
制造： 使用MJF技术3D打印设计的管件，利用其制造薄壁和复杂曲线的精度优势。
验证： 打印的管件进行所述的疲劳测试（200+次循环）以及针对模型预测的弯曲力测试。
迭代： 仿真与物理测试之间的差异反馈到模型中，以校准下一个原型的材料属性或设计参数。

这种迭代的、基于模型的设计周期例证了MJF如何加速CTR的开发。

6. 未来应用与方向

患者专用手术机器人： MJF的快速原型制作能力可以实现根据患者个体解剖结构定制的CTR，直接源自CT/MRI扫描，可能改善手术效果。
一次性/单次使用器械： 经济高效的聚合物打印为无菌、单次使用的CTR打开了大门，消除了再处理成本和交叉污染风险。
多材料与功能化打印： 未来的MJF系统可能整合多种材料（例如，更硬的段、不透射线的标记），甚至可以在打印过程中在管壁内嵌入传感器或用于冲洗/吸引的通道。
与AI驱动设计集成： 将生成式设计算法与MJF结合，可以优化管结构的重量、刚度和路径跟随精度，超越传统几何形状。

7. 参考文献

Gilbert, H. B., et al. (2016). Concentric Tube Robots: The State of the Art and Future Directions. Robotics Research, 293-308.
先前关于使用SLS技术制造尼龙12 CTR的工作（如PDF中引用）。
关于镍钛诺热处理用于CTR的挑战的参考文献（如PDF中引用）。
HP Inc. (2023). HP Multi Jet Fusion Technology Overview. 取自 [HP官方网站].
Webster, R. J., & Jones, B. A. (2010). Design and Kinematic Modeling of Constant Curvature Continuum Robots: A Review. The International Journal of Robotics Research, 29(13), 1661-1683.
ASTM International. (2022). ASTM D638-22: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.

8. 原创分析：核心见解与批判

核心见解： 本文不仅仅是关于用塑料替代金属；它代表了手术机器人领域从手工技艺向数字化制造的战略性转变。MJF打印尼龙12 CTR的真正价值主张不在于匹配镍钛诺的超弹性——它做不到——而在于普及访问和实现快速、复杂几何形状的迭代。它将CTR开发从一个小众的、材料科学密集型的努力转变为一个更易获取的、设计软件驱动的过程。

逻辑流程与优势： 作者的方法是有条理的。他们正确地识别了瓶颈（镍钛诺热处理），并选择了一种增材制造工艺（MJF），其宣传的优势（分辨率、薄壁）直接针对CTR制造的痛点。疲劳测试是点睛之笔——它直接攻击了先前工作（如失败的SLS尝试）中最可信的批评（聚合物脆性）。通过展示200次循环的存活，他们提供了一个有说服力的、基于证据的反驳。联系回Webster的基础模型提供了学术可信度和清晰的定量分析路径。

缺陷与关键差距： 该分析虽然前景看好，但感觉像是成功的第一幕。明显的遗漏是与镍钛诺的直接定量比较。每个循环的滞后损失是多少？恢复力随时间如何衰减？没有这个基准，声称手术“可行性”为时过早。手术不是200次循环；它关乎在整个手术寿命期内可预测、可靠的力传递。此外，对面内弯曲的关注回避了更复杂且临床相关的扭转和复合载荷挑战，这是聚合物管已知的难点。所呈现的工作感觉上验证了制造前提，但仅部分解决了临床性能前提。

可操作的见解： 对于研究人员：这是一个肥沃的起点。直接的下一步必须是与类似尺寸的镍钛诺管进行面对面的机械基准测试。对于行业（如Proto Labs或手术器械初创公司）：一次性、患者专用的可操纵套管的案例比可重复使用的全尺寸机器人更强。首先集中开发于此。投资于表征MJF尼龙12的长期粘弹性特性。对于临床医生：关注此领域。这项技术可能在5-7年内提供更便宜、针对手术优化的工具，但在采用前需要可靠的可靠性数据。从“一个机器人用于多种手术”到“一个优化工具用于一个手术”的范式转变，是这项研究最终促成的终极目标。