软体执行器（Soft Actuators）是一种利用柔性材料和结构设计来实现将光、电、声、磁等能量转换为机械能的动力装置或器件。相较传统刚性驱动装置（马达、液压装置等），软体执行器具备高度柔韧性和非结构化环境适应性等特性，将其用做医疗器械的动力装置，可精准适应人体结构，提高操作精度与舒适度，有望解决微创手术精细操作、个性化康复辅助及药物定点释放等医疗领域关键难题。本文通过发掘当前应用，总结关键挑战，展望未来方向，为软体执行器在医疗领域的探索提供思路。
导 读
软体执行器凭借其卓越的本征柔顺性和肌肉运动仿生特性，能够精准适应人体复杂的生理解剖结构，显著提升微创手术的操作精度、个性化康复辅助的效果，以及药物定点释放的效率和控制力，在医疗器械领域展示出巨大的应用潜力。本论文聚焦软体执行器在医疗器械中的应用，探讨其机制、材料、应用等方面的技术突破及未来发展方向，为更高效、个性化的医疗解决方案提供新思路。
图1 医用软体执行器的机制和材料、应用领域和关键挑战
软体执行器的独特优势
软体执行器因其柔性好、非结构化环境适应强且可定制化程度高，在医疗器械领域相较传统刚性动力装置具有显著应用优势。其能够将各种能量形式（如电能、热能或化学能）转化为机械运动，精准适应人体复杂的生物环境，实现传统医疗技术难以达到的安全柔性操作，在微创手术、可穿戴设备和药物释放等领域展现出优异应用价值。
微创手术中的柔性与精准需求
微创手术对医疗器械的柔性、精度以及对组织的低损伤要求极高。软体执行器凭借其卓越的柔性和仿生运动特性，非常契合这些需求。在复杂的生物体内部环境中，传统刚性器械常因难以适应血管、器官腔道的弯曲和狭窄结构而受限，而软体执行器利用其高度的柔韧性和可变形性，能够实时调整其几何形状，以顺应动态变化的体内结构。例如，基于气动或电致变形的柔性导管和夹持器能够在保证高精度操作的同时，灵活地穿行于血管网络，进行导航、定位和精准抓取，且极大降低了对周围组织的机械损伤。此外，软体执行器在实现复杂操作如组织切割、缝合等方面展现出更高的敏捷性和适应性，从而提高手术的安全性和成功率。
可穿戴设备中的动态适应能力
可穿戴医疗设备需要与人体高度贴合，并能够实时响应用户的动作需求，实现精准的辅助和支持。软体执行器凭借其轻量化、高柔性和高度可调节的特性，在这一领域展现了显著优势。通过气动、电致变形或形状记忆等驱动方式，软体执行器实现了对力和位移的精准控制，可以为用户提供个性化的辅助。例如，康复手套模拟人手的自然运动，帮助中风患者恢复手部功能；柔性外骨骼通过分布式的软体执行元件，提供全身或局部的支撑与动力辅助，减轻用户的肌肉负担，提升行走和运动的稳定性。在动态适应能力方面，软体执行器能够根据实时反馈自动调整其形状和力度，实现对复杂运动的精准跟踪和响应，例如在康复训练过程中，根据患者的恢复进度动态调整辅助力度和运动范围，确保训练的安全性和有效性。
药物输送中的精准响应需求
精准药物输送对医疗设备的要求是对体内环境的实时响应以及对药物释放的精确控制。软体执行器的环境响应特性和微型化能力在这一领域提供了革命性突破。基于智能材料的软体执行器能够对患者体内的生理环境变化及时做出反应。例如在特定pH值下触发药物释放，使药物能够在目标部位精确释放，减少全身副作用，并显著提高治疗效率。此外，软体执行器的精准控制能力也使其在剂量管理方面具有独特优势，通过调节驱动参数实现药物释放的定量化和可控性，避免传统输送设备中常见的剂量过量或不足问题。
总结与展望
软体执行器在医疗领域展现出颠覆性潜力，其独特的柔性和适应性为解决微创手术的高精度操作、个性化康复辅助以及药物定点释放等复杂医疗难题提供了创新性的解决方案。然而，要实现其全面临床转化，还需在材料研发、生物相容性、能量供给、智能控制及规模化生产等方面取得突破。未来，随着新型材料的持续开发、能源技术的进步以及人工智能与柔性电子技术的深度融合，软体执行器将进一步推动医疗器械智能化、个性化发展。此外，跨学科协作、标准化工艺和伦理框架的完善，将加速这一技术的临床转化，为患者提供更安全、高效的医疗解决方案，并重塑现代医疗格局。
责任编辑
胡跃强 湖南大学
韩冬冬 吉林大学
本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Materials 第3卷第1期发表的Commentary文章“Advancing medical devices with soft actuators” (投稿: 2024-08-20；接收: 2024-12-16；在线刊出: 2024-12-19)。
DOI：10.59717/j.xinn-mater.2024.100112
引用格式：Mu J., Yang L., Sheng N., et al. (2025). Advancing medical devices with soft actuators. The Innovation Materials 3: 100112.
作者简介
穆九柯 教授，获国家级青年人才计划支持，长期聚焦软体执行器方向研究，主要围绕驱动新机制探索与活性基材开发、执行器多功能化与构效增强等方面开展了系统性的基础研究和智能复合材料方面的应用探索。以第一作者或通讯作者在Science, Science Advances, PNAS, Nature Communications, Advanced Materials、The Innovation Materials 等重要学术期刊发表多篇学术论文；授权中国发明专利6项、公开PCT国际专利2项、授权美国专利2项。担任复合材料学报、国际智能与纳米材料期刊、Soft Science、JBE、PNSMI等国内外期刊青年编委，作为美国科学促进会(AAAS)中文官方媒体特邀评述人评述多篇Science期刊论文。
宋晓菲 天津大学机械工程学院，副教授，硕/博士生导师。主要从事生物组织先进加工技术及医疗器械的研究。主持国家自然科学基金4项，天津市自然科学基金1项。发表SCI论文30余篇，中科院一区及 二区Top期刊论文8篇，他引500余次；Springer出版专著1章；授权中国发明专利10项，成果转化2项。
李建民 天津大学教授，国家优秀青年科学基金获得者；长期围绕腔镜手术机器人基础理论与关键技术开展研究，研制成功我国首台腔镜手术机器人妙手系统，完成首例国产腔镜机器人临床实验、国际首例及单中心国际最大样本量5G远程腔镜手术临床试验，获得首张国产腔镜机器人产品注册证；担任国家智能机器人重点专项专家、医用机器人标准化归口单位专家、山东省精准诊疗装备重点实验室主任等职务，以第一及通讯作者发表SCI论文42篇，获国家技术发明二等奖（排二）等重要奖励。
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期刊简介
The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press 于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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