以多射流熔融技術製造尼龍12同心管機器人：可行性研究

1. 緒論

同心管機器人是由預先彎曲、可伸縮嵌套的管件所組成，尺寸如針般細小的靈活機械臂。其獨立平移與旋轉的能力，結合彈性相互作用，能實現類似觸手的彎曲運動，非常適合微創手術應用。傳統上使用超彈性鎳鈦諾製造的同心管機器人，由於需要複雜的退火處理才能達到預定曲率，面臨製造上的挑戰。本研究探討使用多射流熔融積層製造技術與尼龍12聚合物作為鎳鈦諾的替代材料之可行性，旨在簡化並加速同心管機器人的原型製作。

2. 材料與方法

研究方法包括分析MJF列印尼龍12的特性，並測試其在同心管機器人相關情境下的性能。

2.1 多射流熔融技術

MJF是由惠普公司開發的一種粉末床熔融製程。它沉積材料粉末層（尼龍12），使用紅外線能量加熱，並運用化學劑（熔融劑與細節劑）來促進精確的熱熔合。相較於選擇性雷射燒結，MJF提供了更高的尺寸精度、更精細的解析度，以及製造更薄壁結構的能力——這些都是製造同心管機器人微小、複雜管件的關鍵優勢。製造委外給Proto Labs執行。

2.2 應力-應變特性分析

根據ASTM D638標準，使用Instron 5500R萬能材料試驗機對「狗骨」試片進行拉伸測試。目標是確定材料的線性彈性範圍和楊氏模數（$E$），這些是模擬力學和預測同心管機器人行為的關鍵參數。

2.3 疲勞測試

為了評估在重複彎曲下的耐久性——這是手術機器人的關鍵要求——進行了疲勞測試。將單根尼龍12管（外徑：3.2 mm，壁厚：0.6 mm，曲率半徑：28.26 mm）在空心軸內循環拉直，然後釋放回其彎曲狀態。此循環自動化並重複200次，每10個循環進行一次視覺記錄，以監測裂紋或失效情況。

2.4 平面內彎曲驗證

設計了一項實驗，以驗證由Webster等人提出的同心管既定力學模型是否適用於MJF列印的尼龍12管。該模型根據兩個同心對齊管的個別預彎曲率和彎曲剛度，預測其平衡曲率。

3. 結果與討論

關鍵實驗發現

材料特性：拉伸測試提供了MJF尼龍12的楊氏模數，這是同心管機器人力學模型的關鍵輸入。
疲勞性能：尼龍12管承受了200次拉直與釋放的循環，未見明顯損壞或失效，相較於先前因脆性而聞名的SLS製造管件有顯著改善。
模型驗證：初步結果表明，平面內彎曲模型可應用於MJF尼龍12管，顯示其力學行為具有可預測性。

研究表明，MJF克服了SLS在此應用上的關鍵限制，主要涉及解析度和壁厚。成功的疲勞測試是一個關鍵結果，解決了聚合物基同心管機器人的主要弱點。然而，論文暗示，需要進一步與鎳鈦諾基準進行彎曲力、滯後現象和長期循環性能（>1000次循環）的定量比較。

4. 技術細節與數學模型

同心管機器人的核心力學由管件間的彈性相互作用所支配。對於兩個對齊在同一平面內彎曲的管件，其平衡曲率（$\kappa$）由下式給出：

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

其中：

$E_i$ 是管件 $i$ 的楊氏模數（透過尼龍12的拉伸測試獲得）。
$I_i$ 是管件 $i$ 橫截面的面積二次矩。
$\kappa_i$ 是管件 $i$ 的預彎曲率。

此模型假設線性彈性並忽略扭轉。本研究的彎曲驗證實驗旨在測試此模型對於MJF尼龍12材料系統的有效性。

5. 分析框架：非程式碼案例研究

情境： 一個研究實驗室旨在為一項精細的神經外科手術開發患者專用的同心管機器人。所需的路徑尖端具有複雜的多曲線形狀。

框架應用：

設計與模擬： 使用醫學影像（如MRI）對所需路徑進行建模。基於力學模型（$\kappa = \frac{E_1 I_1 \kappa_1 + ...}{...}$），利用逆向運動學計算管件的預彎曲率。模型使用MJF尼龍12的材料特性（$E$）執行。
製造： 設計好的管件使用MJF技術進行3D列印，利用其製造薄壁和複雜曲線的精度優勢。
驗證： 列印出的管件進行所述的疲勞測試（200+次循環）以及對比模型預測的彎曲力測試。
迭代： 模擬與實體測試之間的差異回饋到模型中，以校準下一個原型的材料特性或設計參數。

這種迭代的、以模型為基礎的設計循環，例證了MJF如何能加速同心管機器人的開發。

6. 未來應用與方向

患者專用手術機器人： MJF的快速原型製作能力，可實現根據個別患者解剖結構量身訂做的同心管機器人，直接源自CT/MRI掃描，可能改善手術結果。
拋棄式/單次使用器械： 具成本效益的聚合物列印，為無菌、單次使用的同心管機器人開啟大門，消除了再處理成本和交叉污染的風險。
多材料與功能性列印： 未來的MJF系統可能整合多種材料（例如，更硬的區段、不透射線的標記），甚至能在列印過程中於管壁內嵌入感測器或沖洗/抽吸通道。
與AI驅動設計整合： 將生成式設計演算法與MJF結合，可以針對重量、剛度和路徑跟隨精度，優化管件結構，超越傳統幾何形狀。

7. 參考文獻

Gilbert, H. B., 等人. (2016). Concentric Tube Robots: The State of the Art and Future Directions. Robotics Research, 293-308.
先前關於使用SLS製造尼龍12同心管機器人的研究（如PDF中所引用）。
關於鎳鈦諾退火用於同心管機器人之挑戰的文獻（如PDF中所引用）。
HP Inc. (2023). HP Multi Jet Fusion Technology Overview. 取自 [HP官方網站].
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. 原創分析：核心見解與評論

核心見解： 這篇論文不僅僅是將金屬換成塑膠；它是在手術機器人領域從工藝製作到數位製造的戰略性轉向。MJF列印尼龍12同心管機器人的真正價值主張，不在於匹配鎳鈦諾的超彈性——它無法做到——而在於普及化應用並實現快速、複雜幾何形狀的迭代。它將同心管機器人的開發，從一個小眾、材料科學密集的嘗試，轉變為一個更易於接觸、由設計軟體驅動的過程。

邏輯流程與優勢： 作者的方法是有條理的。他們正確地識別了瓶頸（鎳鈦諾退火），並選擇了一種積層製造製程（MJF），其宣傳的優勢（解析度、薄壁）直接針對同心管機器人製造的痛點。疲勞測試是關鍵的一步——它直接攻擊了先前研究（如失敗的SLS嘗試）最可信的批評（聚合物脆性）。透過展示200次循環的存活，他們提供了一個有說服力、基於證據的反駁。連結回Webster的基礎模型提供了學術可信度，並為定量分析指明了清晰路徑。

缺陷與關鍵缺口： 這項分析雖然前景看好，但感覺像是成功的第一幕。明顯的遺漏是與鎳鈦諾進行直接的定量比較。每個循環的滯後損失是多少？恢復力隨時間如何衰減？沒有這個基準，聲稱手術「可行性」為時過早。手術不是200個循環；它關乎在整個手術生命週期中可預測、可靠的力傳遞。此外，對平面內彎曲的關注，迴避了更複雜且臨床相關的扭轉和組合負載挑戰，這是聚合物管已知的難點。目前呈現的研究成果，感覺上驗證了製造的前提，但僅部分解決了臨床性能的前提。

可行動的見解： 對研究人員而言：這是一個肥沃的起點。立即的下一步必須是與相似尺寸的鎳鈦諾管進行面對面的力學基準測試。對產業界（如Proto Labs或手術器械新創公司）而言：拋棄式、患者專用的可操控套管的案例，比可重複使用的完整機器人更為有力。首先將開發重點放在這裡。投資於分析MJF尼龍12的長期黏彈性特性。對臨床醫師而言：關注此領域。這項技術可能在5-7年內提供更便宜、針對手術優化的工具，但在採用前需要可靠的數據。從「一個機器人用於多種手術」到「一個優化工具用於一個手術」的典範轉移，是這項研究最終可能實現的終局。