在连续体机器人领域，机器人本体尺寸、工作通道、操控性能与力传递能力之间始终存在复杂的工程权衡。尤其是在面向微创医疗应用时，如何在毫米级尺度下实现高空间操控能力，长期以来被认为是连续体机器人设计中的核心挑战之一。

长期以来，绝大多数腱驱连续体机器人（Tendon-driven continuum robots, TDCRs）均采用多腱驱动架构实现三维运动控制。通过配置3根、4根甚至更多驱动腱，机器人能够获得多自由度全向弯曲能力，从而实现复杂环境下的导航与操作。

然而，这种设计方式也带来了难以回避的问题：随着驱动腱数量增加，机器人内部空间被持续压缩，执行器和传动系统复杂度显著上升，系统的小型化能力受到根本限制。

对于经自然腔道进入人体的医疗机器人而言，这种矛盾尤其突出。

近期，香港中文大学任洪亮教授研究团队在《自然·通讯》发表题为Single Twistable Tendon-Driven Continuum Robots的研究工作，提出了一种颠覆性的连续体机器人驱动范式：通过单根偏心布置的驱动腱，并对该单腱实施推（Push）、拉（Pull）以及扭转（Twist）三种驱动模式，使机器人在仅使用单根驱动腱的情况下获得近似全向空间运动能力。

单腱耦合驱动，实现连续体机器人多种运动模态

Jiewen Lai+, Yanjun Liu+, Tian-Ao Ren, Yan Ma, Tao Zhang, Jeremy Y.-C. Teoh, Mark R. Cutkosky, Hongliang Ren*.Single twistable tendon-driven continuum robots.Nat Commun (2026)

作者机构：香港中文大学电子工程学系、斯坦福大学机械工程系、香港中文大学医学院外科学系

本研究受国家自然科学基金委、国家科技部、香港研究资助局、香港创新科技署、广东省自然科学基金委等资助。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-74225-3

项目网页：https://twist-bot.github.io

该研究突破了传统腱驱连续体机器人必须依赖多腱实现空间操控的设计逻辑，在保持毫米级尺寸和较高力传递效率的前提下，实现了连续体机器人的全向运动控制，为下一代微创医疗机器人执行器提供了一种新的设计和技术路径。

01.

为什么机器人不能“扭”起来？

在自然界中，高度灵活的生物执行器往往不仅依赖肌肉的收缩与舒张，还依赖于肌肉在空间中的非轴向分布方式。

以人类前臂为例，前臂能够完成旋前（Pronation）和旋后（Supination）运动，本质上表现为尺骨与桡骨之间的相对扭转。然而，这种扭转能力并非来源于骨骼本身，而是源于前臂肌群的特殊空间排布：部分肌肉以斜向方式作用于骨骼，在收缩过程中产生扭转载荷，从而驱动前臂实现旋前与旋后运动。

类似地，象鼻能够通过纵向肌肉与斜向肌肉的协同收缩，同时完成弯曲、扭转以及复杂的空间形变（Phys. Rev. Lett. 132, 248402）。正是这种由“非轴向（Non-axial）”或“斜向/螺旋向（Oblique/Helical）驱动结构带来的额外扭转自由度，使生物系统能够在有限尺寸内获得更大的工作空间和更高的运动灵活性。

扭转是自然界生物执行器的重要运动模式

相比之下，传统腱驱动连续体机器人虽然已经能够实现高效弯曲，但大多数设计仍建立在“推—拉”驱动模式之上。无论采用单腱还是多腱结构，驱动腱的主要作用都是产生轴向力，从而控制机器人发生弯曲变形。

研究团队因此提出了一个看似简单、却从未被系统验证的问题：如果驱动腱除了推和拉之外，还能够主动承担扭转功能，会发生什么？

围绕这一问题，研究团队以经典的刻槽管式腱驱动连续体机器人（Notched Tube TDCRs）为研究范本，构建了一种全新的驱动架构—Push–Pull–Twist（PPT）机制。在这一架构中，单根偏心布置的 NiTi 肌腱同时承担三种驱动模式：

• Push（推）：产生反向（无刻槽方向）弯曲；

• Pull（拉）：产生正向（刻槽方向）弯曲；

• Twist（扭转）：引入额外空间自由度。

通过在连续体内部采用偏心布置的单根NiTi驱动腱，并将旋转关节与直线关节集成于同一驱动节点，机器人能够在轴向扭矩作用下产生显著的扭致弯曲（Twisting-Induced Bending），从而获得额外空间自由度。

PPT机制耦合驱动单元的设计及柔性连续体一体化3D打印成型过程

PPT机制 vs. 传统近端旋转机制

这种设计使得机器人不仅能够沿传统方向完成弯曲，还能够通过驱动腱旋转改变弯曲平面，实现真正意义上的三维运动控制，突破了长期以来该类型连续体机器人依赖多驱动腱或旋转基座实现三维操控的设计范式。

02.

Simplicity Begets Simplicity

对于传统多腱结构而言，驱动腱通道通常呈对称分布；而对于偏心布局而言，绝大部分横截面积被重新释放给工作通道和主体结构。通过简单的几何推理可知，在保持相同工作通道尺寸和结构强度的条件下，机器人外径可进一步缩小，而内腔占比则显著提高。

研究团队制造的多种原型机器人外径仅为2.0–3.5 mm，而内外径比（ID/OD）超过57%，达到目前软连续体机器人中较高水平。与传统多腱驱动机器人相比，这种设计几乎将截面空间利用效率提升了一倍。

更大的工作通道意味着什么？

对于微创手术机器人末端而言，这意味着在保持执行器细口径的同时，仍然可以搭载摄像头、抓取器、活检器械甚至能量治疗设备；对于未来的多功能微创机器人系统而言，这一点至关重要。过去很多机器人必须在“更小尺寸”和“更多功能”之间做出取舍，而单腱架构则为两者提供了一种新的平衡方案。

减少驱动实体数量，可有效提高截面空间利用率

与此同时，单腱设计还带来了一个容易被忽视却极具工程价值的优势 —模块化。

对于传统多腱驱动系统，更换机器人主体常常意味着重新穿线、重新张紧、重新标定多个驱动通道。随着机器人自由度增加，这一过程往往十分繁琐。

而在PPT架构下，仅需单腱即可完成驱动。研究团队展示了不同尺寸机器人之间的快速拆装过程，整个更换流程仅需数秒即可完成，大幅降低了系统维护和准备成本。

快速安装/拆卸可工作的连续体机器人末端。从装配到使用，仅需数秒。

03.

可操作性提升三个数量级

机器人学领域常用 Manipulability（可操作性）来评价一个机器人末端在空间中的运动能力。简单来说，它反映了机器人是否能够轻松地朝不同方向移动、施加力或者调整姿态。操控性越高，机器人就越灵活；操控性越低，则意味着机器人容易陷入运动受限状态。

通过对传统BR（Bending + Base Rotation）模式和新BT（Bending + Twisting）模式进行比较，研究团队发现，机器人可操作性提升约三个数量级。在大量工作空间区域中，BT模式的 Manipulability 指数能够达到传统方案的1000倍以上。

Yoshikawa 可操作度提高三个数量级；在弯曲叠加扭转的状态下，机器人依然能够保留超过70%的力输出能力

与此同时，研究团队还对工作空间进行了系统分析。传统的弯曲与基座旋转模式能够形成较为规则的半球形工作空间；而在加入扭转自由度之后，机器人虽然不再依赖整体旋转，却依然能够恢复大部分空间覆盖能力，并在部分区域形成新的运动能力。

对于连续体机器人而言，仅有运动能力是不够的，实际操作还需要足够的力传输能力。为此，研究团队测量了机器人末端侧向输出力。结果显示，在弯曲叠加扭转的状态下，机器人依然能够保留超过70%的力输出能力。

这意味着PPT机制并不是以牺牲操作能力为代价换取运动自由度，而是在保持较好力传递性能的同时，引入了额外的空间操控能力。对于未来需要完成抓取、活检和精细操作的微创机器人而言，这一点尤为重要。

04.

揭示扭转运动背后的数学机理

提出一种新的机器人结构只是第一步。对于机器人研究而言，更重要的问题是：机器人为什么会这样运动？这种运动是否能够被预测和控制？

传统连续体机器人研究中，弯曲运动一直是主要关注对象。因此，大多数运动学模型也建立在平面弯曲或空间弯曲的基础之上。

然而，当引入PPT机制之后，机器人出现了一种有趣的现象：当驱动腱被扭转时，机器人并不会像人们想象的那样仅仅绕自身轴线旋转，而是会伴随明显的侧向偏移和空间形变，即扭致弯曲。

而且，机器人越纤细，这种扭致弯曲会越显著。

为了揭示这种现象背后的规律，研究团队建立了一套统一的运动学框架，将机器人的运动描述分解为弯曲矩阵、扭转矩阵以及扭致弯曲矩阵三部分的耦合结果。基于该模型，研究人员能够根据机器人结构参数和驱动输入预测其空间形态变化，并进一步完成工作空间分析、运动规划和控制设计。

利用推导得出的静力运动学模型建立的MATLAB运动仿真

可扭腱驱动的运动学建模解析

05.

从复杂导航到体内操作

为了验证PPT机制的普适性，研究团队并没有停留在运动学分析和实验台测试，而是构建了一系列具有代表性的应用场景。

探索曲折立体空间结构

双可扭TDCR-based Gripper：实现 In-Gripper manipulation

将不同的可扭TDCRs在胃仿体及多种离体器官（猪胃、猪心）场景中进行柔性内镜导航试验，测试其空间覆盖范围和可操作性

06.

总结与展望

回顾连续体机器人过去数十年的发展历程，多自由度往往意味着更多驱动实体、更复杂传动结构以及更大的系统尺寸。这篇工作最值得关注的地方，并不是开发出了一台新的连续体机器人，而是提出了一种新的设计假设。

这项工作为连续体机器人提供了一个新的思考方向：未来机器人自由度的提升，未必依赖于不断增加驱动单元，也可能来自于对单个驱动单元能力的重新定义。

对于正在快速发展的微创医疗机器人领域而言，这种从“多腱冗余驱动”到“单腱耦合驱动”的转变，或许正代表着连续体机器人设计范式的一次重要演进。