机械抓取和固持设备依赖于坚固和受控的握力。在许多应用中，如机器人技术、微组装或外科手术，由于需要小型化，改善这种抓握性能的可能性受到严重限制。在2024年PNAS发表的一篇文章中，研究人员展示了如何通过理解和模仿进化选择的设计原则来改善一个应用中的抓握性能（内窥镜针持器）。最新的运动学、形态学和工程方法表明，与其他昆虫相比，蚂蚁在关节和上颚旋转轴内具有相当大的活动性。文章从蚂蚁上颚的夹持系统中推导出了三个主要的进化设计原则：1）一个移动的关节轴，2）上颚轴的倾斜方向，3）将收缩肌肉的力传递到上颚的顶端。将这三个原则应用于一种商业上可用的内窥镜针持器，结果计算出的力放大率高达296%，实验测量值高达433%。与针的原始设计相比，这减少了针的平移和旋转量，同时保持了其尺寸或外形。
图 文 导 读
抓握是人类用来操纵物体的工具中最重要的功能之一。在许多情况下，这些任务必须在有限的空间内由小型化的工具完成。这限制了刀具设计的可能性，并导致刀具尺寸和性能之间的权衡。这在内窥镜手术中尤为重要，在内窥镜手术中，缝合是用精致的针架在患者体内进行的(图1A)。这些针托需要通过小的端口进入人体，因此对针托的尺寸施加了重要的限制。在大多数商业产品中，针被两个钳口抓住，这两个钳口会聚成一个铰链关节(图1a和B)。可移动的杠杆臂(mla，图1a和B)由推杆(图1B)控制，推杆从手柄传递力。外科医生经常会遇到针在针架中旋转或倾斜的情况，特别是在所谓的“决定性”缝合时。因此，必须在患者体内重新抓住针，并且必须再次尝试缝合，这可能会导致准确性降低、出血增加和手术时间延长。迄今为止，PubMed和专利库描述了十几种创新的针夹。然而，尽管动物已经进化出了各种特定的解剖学解决方案来抓取或握住，但这些可用的针托器都不是按照自然界发展的进化设计建模的。
图1 现存的手术针夹持机构（A），仿蚂蚁上颚夹持系统设计的手术针夹持系统(B)， 蚂蚁头部及上颚形貌特征（C-D）
图2文章从蚂蚁上颚的夹持系统中推导出了三个主要的进化设计原则：A-B）一个移动的关节轴，C-D）上颚轴的倾斜方向，E-F）将收缩肌肉的力传递到上颚的顶端。
为了解决这一问题，研究人员从蚂蚁上颚的夹持系统中推导出了三个主要的进化设计原则:蚂蚁的上颚具有关节滑动，轴倾斜，在开合过程中改变动力传递的特点。文章将这三个设计原则转移到市售的手术针架上。这大大提高了针架的抓取性能。
第一个设计原则：允许在关节内运动，持针器不仅执行经典的剪刀闭合运动，而且还附加了一个向前和向后的运动。这将针卡在针夹中，提供额外的稳定性。
第二个设计原则：基于旋转轴倾斜的原理:开口运动不再向上，而是斜向一侧。针架的手臂像门楔一样固定针。
第三种设计原则：增加了力的附着与旋转轴之间的距离，从而显著增加了力的传递。
图3 仿生夹持器
研究人员将这三个原理应用于市售内窥镜针架，计算出的力放大可达296%，实验测量的力放大可达433%。与针的原始设计相比，这减少了针的平移和旋转量，同时保持了针的大小或外部形状。
文 章 信 息
Title: Understanding the ant’s unique biting system can improve surgical needle holders
Authors: Benjamin Wipfler, Ole Hoepfner, Felix Viebahn, Tom Weihmann, Frank Rieg, and Carsten Engelmann
Journal: PNAS
DOI: 10.1073/pnas.220159812
点击下方链接
了解更多资讯
