柴川頁(yè) ，顏國(guó)正 *，韓 玎 ，趙 凱 ，華芳芳

（1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2. 上海交通大學(xué) 醫(yī)療機(jī)器人研究院，上海 200240）

1 引 言

大便失禁指肛管和括約肌對(duì)糞便失去蓄控力，嚴(yán)重影響患者的生活。人工肛門(mén)括約肌（Ar?tificial Anal Sphincter，AAS）是可治療大便失禁的新興手段之一，通過(guò)原位植入腹腔代替功能缺失的括約肌實(shí)現(xiàn)控便與排便動(dòng)作。夾持機(jī)構(gòu)是AAS 的關(guān)鍵組成部分，通常環(huán)繞直腸肛管并與腸道外壁緊密接觸，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)特點(diǎn)直接影響到患者體驗(yàn)。

Yan 團(tuán)隊(duì)在AAS 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)被大量組織增生包裹，而且植入2 個(gè)月后機(jī)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的機(jī)械故障［1］，這些現(xiàn)象說(shuō)明夾持機(jī)構(gòu)的生物相容性不足。AAS 的材料選擇直接影響生物相容性，長(zhǎng)期植入式醫(yī)療設(shè)備廣泛使用的材料有醫(yī)用硅橡膠、鈦合金、尼龍等。Artificial Bowel Sphincter（ABS）、Soft Anal Band（SAB）和 Ger?many Artificial Sphincter（GAS）等就是硅橡膠環(huán)形袖套式AAS［2-6］。硅橡膠輕軟、生物相容性好，但因強(qiáng)度不足僅用于形狀簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。Magnet?ic Anal Sphincter（MAS）是醫(yī)用鈦合金磁珠式AAS［7］，其強(qiáng)度高于硅橡膠，但磁珠間被動(dòng)收緊力較小導(dǎo)致最大控便量不足。上述AAS 采用環(huán)形肛門(mén)括約肌擠壓腸道的仿生學(xué)控便機(jī)理，受夾持腸壁將形成大量褶皺，致使腸道局部高壓產(chǎn)生血供安全隱患，80%的患者須再次手術(shù)治療［8］。Marziale 等人通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)評(píng)估了周向與鉗夾式人工尿道括約肌的力學(xué)特點(diǎn)［9］，Zan 等人也通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了一種夾鉗式AAS的生物力學(xué)相容性［10］，但僅停留在理論研究階段而未經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證。Zhou 等研發(fā)了擺臂式仿恥骨 AAS［11］，Wang 等研發(fā)了恒力彈壓式 AAS［12］，但由于腸道的粘彈性及機(jī)構(gòu)并非完全封閉，夾持腸道時(shí)常出現(xiàn)移位、膨出的現(xiàn)象，影響控便性能。

除了生物相容性，控排便響應(yīng)時(shí)間也是AAS夾持機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。傳統(tǒng)AAS 響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，執(zhí)行效率低下，液壓驅(qū)動(dòng)的ABS 耗時(shí)5~8 min［2］，基于形狀記憶合金的 Anal Sphincter-Shape Memory Alloy 開(kāi)閉 時(shí)間約 5 min［13］。采用 電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，Doll 等設(shè)計(jì)的 GAS 響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)達(dá) 8~9 min［3］，Ke 等設(shè)計(jì)的機(jī)械式假體響應(yīng)時(shí)間為 80 s［14］。

上述分析可見(jiàn)，現(xiàn)有AAS 夾持機(jī)構(gòu)生物相容性較低、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，本文在人體排便機(jī)制及其力學(xué)特點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上，提出一種新型夾持機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出由三組交錯(cuò)疊放的夾持臂構(gòu)成的封閉式括約肌假體（Novel Closed-link Artificial Anal Sphincter，NCAAS）?；谛滦图袤w結(jié)構(gòu)，本文進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)理論分析，確定設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過(guò)有限元仿真說(shuō)明了機(jī)構(gòu)控便有效性和安全性。樣機(jī)的制作依照理論計(jì)算及仿真結(jié)果，并實(shí)施了控排便時(shí)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)與夾持性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦驗(yàn)證了夾持機(jī)構(gòu)的有效性及安全性。NCAAS 兼有肛門(mén)括約肌封閉式收縮與恥骨直腸肌形成肛腸角的仿生學(xué)特點(diǎn)，可滿(mǎn)足人體日常所需控便量，具備良好的生物相容性，而且與傳統(tǒng)AAS 相比較大縮短了響應(yīng)時(shí)間。

2 排便機(jī)制及力學(xué)特點(diǎn)

2.1 排便動(dòng)作特點(diǎn)

人體在靜息控便時(shí)，隨著糞便積累使直腸膨脹、直腸內(nèi)壁受體對(duì)糞便量采樣，判斷是否需要排便。排便行為的執(zhí)行取決于個(gè)體腹壓、結(jié)腸動(dòng)力、直腸擴(kuò)張性、肛腸角以及盆底肌之間的協(xié)調(diào)［15］。恥骨直腸肌包繞直腸肛管，另一端連接于恥骨末端。如需排便，恥骨直腸肌、括約肌放松，直腸伸直，肛腸角為100°~110°，肛門(mén)打開(kāi)排出糞便。待排便結(jié)束后，內(nèi)括約肌、恥骨直腸肌收縮，肛門(mén)關(guān)閉，肛腸角減小至 80°~90°恢復(fù)控便［16］。文獻(xiàn)［17］表明盡管各種哺乳動(dòng)物的直腸長(zhǎng)度在4~40 cm 內(nèi)變化，但排便時(shí)間維持在12±7 s。

2.2 腸道力學(xué)性能

腸道作為生物組織因膠原特性具有非線(xiàn)性機(jī)械行為、明顯的粘彈性。為簡(jiǎn)化腸道模型，研究中通常忽略腸道的黏膜皺襞，將其看作柱狀壓力管，故因糞便積累產(chǎn)生的壓力不僅使腸道管道在圓周方向擴(kuò)展，同時(shí)引起管道長(zhǎng)軸方向伸展、徑向收縮，并致使管壁變?。?8］。因此，研究中采用三維Ogden 不可壓縮超彈模型對(duì)腸道組織材料建模，密度1 020 kg·m-3，應(yīng)變勢(shì)能為式（1）：

其中：λ1，λ2，λ3分別為主應(yīng)變伸長(zhǎng)率，μi，αi為材料常數(shù)，取值如下［19］：μ1=8.3 kPa，μ2=0.3 kPa，μ3=6.2 kPa，α1=7.625，α2=13.875，α3=7.625。

3 夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

NCAAS 夾持機(jī)構(gòu)主要包括夾持臂和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)夾持臂運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)夾持機(jī)構(gòu)時(shí)主要考慮以下要求：

（1）AAS 長(zhǎng)期植入性要求夾持機(jī)構(gòu)在滿(mǎn)足功能的條件下，各組件集成小型、緊湊；夾持臂材料輕便、生物相容性良好；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有自鎖性，即保持某一夾持狀態(tài)的能力。

（2）為順利包繞直腸，夾持臂完全張開(kāi)時(shí)的內(nèi)切圓直徑應(yīng)不小于松弛直腸的平均直徑D=20 mm；要減少夾緊腸道造成的大量褶皺，夾持臂完全閉合時(shí)的長(zhǎng)度應(yīng)不小于空癟腸道的寬度

（3）將夾持機(jī)構(gòu)設(shè)置勻速夾持，排便時(shí)間設(shè)計(jì)為哺乳動(dòng)物的排便時(shí)長(zhǎng)；否則，會(huì)損傷腹腔內(nèi)生物組織或?qū)е屡疟阈实拖隆?/p>

（4）要求能至少控制4.6 kPa的糞便量［14］，夾持臂封閉夾緊腸道時(shí)肛腸角不大于 90°［16］；同時(shí)，為保證腸道血供安全閾值，夾持壓強(qiáng)不應(yīng)大于10 kPa［10］。

3.2 夾持臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

如圖1 所示，力學(xué)建模中將夾持臂簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［20］。

圖1 運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)分析Fig.1 Kinematics and mechanical analysis

模型以驅(qū)動(dòng)器輸出軸O為原點(diǎn)創(chuàng)建直角坐標(biāo)系Oxy，定義夾持臂各鉸接點(diǎn)坐標(biāo)A（x1，y1），C（x2，y2），D（x3，y3）。建立鉸接點(diǎn)坐標(biāo)矩陣的數(shù)學(xué)模型，如式（2）：

由 于D點(diǎn) 沿y軸 運(yùn) 動(dòng) ，可 得β和λ的 關(guān) 系 ，如式（3）：

夾持臂根部A為固定點(diǎn)，設(shè)|x1|=c，y1=e；c，e為常數(shù)。各鉸接點(diǎn)坐標(biāo)矩陣數(shù)學(xué)模型，如式（4）：

夾持臂運(yùn)動(dòng)時(shí)角速度ωA恒定，且與機(jī)構(gòu)夾持臂張角λ滿(mǎn)足式（5）：

夾持機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度d以及D點(diǎn)的速度vD和加速度aD，如式（6）~式（8）：

3.2.1 夾持力方程

因夾持臂運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)緩慢，故可將夾持臂夾持直腸肛管作為靜力系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析。取圖1（b）中心線(xiàn)左側(cè)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)虛功原理，驅(qū)動(dòng)夾持臂運(yùn)動(dòng)的扭矩TA經(jīng)微小時(shí)間增量Δt轉(zhuǎn)過(guò)微小角度增量 Δθ=ωAΔt，該過(guò)程所作的虛功為WA?？紤]到腸道生物組織具有柔性與粘彈性，夾持臂與腸道外壁作用時(shí)受力可視為均布載荷，并作用在位于s 區(qū)域的內(nèi)。扭矩TA的虛功WA等于 桿AC 所 受 夾持 反 力q1與 桿CD 所受 夾持反力q2在Δθ內(nèi)所作虛功之和W1+W2。根據(jù)虛功原理，可得式（9）：

桿 AC 所作虛功W1，如式（10）：

以下說(shuō)明如何計(jì)算桿CD 所作的虛功W2：

將 C，D 的微位移 ΔlC，ΔlD沿平行于桿 CD 和垂直于桿CD 的方向分解，如式（11）~式（12）：

由于桿件不會(huì)被拉長(zhǎng)，故滿(mǎn)足式（13）：

桿 CD 上任意點(diǎn)P的虛功 ΔWP，如式（14）：

將式（16）代入虛功方程（10），有：

將式（17）代入（1）、（3）、（4）、（7），故夾持力載荷方程如式（18）：

3.2.2 夾持臂有限元分析

實(shí)際上夾持臂具有一定曲度，故前文將夾持臂視為連桿機(jī)構(gòu)分析夾持腸道的過(guò)程存在一定誤差，因此，本節(jié)基于Ansys 有限元分析對(duì)夾持機(jī)構(gòu)夾持腸道的動(dòng)作做瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真。醫(yī)用剛性材料中鈦合金密度4 500 kg·m-3是醫(yī)用尼龍的4 倍，建模過(guò)程中考慮到夾持機(jī)構(gòu)的輕量性，因此將夾持臂材料設(shè)置為醫(yī)用尼龍PA6，密度1 130 kg·m-3，楊氏模量 2.32 GPa，泊松比 0.34，三層夾持臂間距設(shè)置為4 mm；腸道簡(jiǎn)化為外徑20 mm 厚度 2 mm 的圓柱管，材料根據(jù)公式（1）設(shè)置。如圖2 所示，網(wǎng)格劃分方法為T(mén)etrahedrons，夾持臂與腸道接觸面網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.002 m，節(jié)點(diǎn)數(shù)為25 220，單元數(shù)為12 908。考慮真實(shí)情況下機(jī)構(gòu)夾持腸道的方式與腸道變形情況，本文設(shè)置了6 處操作臂-腸道接觸面，1 處腸道-腸道接觸面，摩擦系數(shù)均設(shè)為0.1；操作臂之間通過(guò)joint 連接，在夾持臂根部設(shè)置3 處Body-Ground 轉(zhuǎn)動(dòng)副，余下5 處鉸鏈設(shè)置為Body-Body轉(zhuǎn)動(dòng)副。固定腸道上、下兩個(gè)端面，在Body-Ground 處施加 3（°）/s 的恒定角速度載荷，運(yùn)動(dòng)12 s 后停止，求解時(shí)間設(shè)置為15 s。夾持過(guò)程腸道和夾持臂位移云圖如圖3 所示，夾持機(jī)構(gòu)完好，直腸變形由夾持臂控制，在t=9.09 s 時(shí)腸道基本閉合。

圖2 網(wǎng)格劃分與施加荷載示意圖Fig.2 Schematic diagram of meshing and loading

圖3 夾持過(guò)程位移云圖Fig.3 Displacement during clamping

為了驗(yàn)證張角范圍內(nèi)是否能滿(mǎn)足控便性能，本文對(duì)夾持過(guò)程中腸道形成肛腸角的過(guò)程也進(jìn)行了分析。如圖4 所示，t=9.09 s 時(shí)，肛腸角為95.2°達(dá)到近似控便狀態(tài)；t=11.667 s 時(shí)，肛腸角為62.2°，滿(mǎn)足生理控便的要求。

圖4 仿真肛腸角Fig. 4 Simulated anorectal angle

如圖5 所示，腸道處于夾緊狀態(tài)時(shí)，高壓區(qū)僅集中出現(xiàn)于腸道夾持區(qū)域兩側(cè)，腸道表面平滑。此外，如圖6 所示，夾持臂與腸道的接觸力隨夾持過(guò)程逐漸增大，在θ=32°時(shí)存在較大抖動(dòng)。原因在于此時(shí)腸道幾乎為夾緊狀態(tài)，而腸道組織盡管存在粘滯性，其體積在受壓過(guò)程中近乎不變。仿真結(jié)果還顯示，接觸力在極限位置達(dá)到最大，約為1.6 N；腸道血供壓強(qiáng)閾值10 kPa 與接觸面積200 mm2之 積 為 血 供 壓 力 閾 值 2 N［10］，1.6 N<2 N 說(shuō)明夾持機(jī)構(gòu)能夠保障腸道血供安全。

圖5 腸道應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Colon strain

圖6 操作臂-腸道接觸力與擺桿轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.6 Relationship between arm-colon contact force and swing rod angle

已知醫(yī)用尼龍PA6 的屈服強(qiáng)度σs=30 Mpa，設(shè)安全系數(shù)［s］=1.1，則安全應(yīng)力σ［s］=σs/［s］=27.27 MPa。夾持臂應(yīng)力仿真得到最大應(yīng)力σmax=6.298 9 MPa＜σ［s］，因此，醫(yī)用尼龍 PA6材料符合夾持臂安全應(yīng)力強(qiáng)度要求。

3.2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

已知夾持臂旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位置固定，跟據(jù)張角范圍所設(shè)計(jì)的雙軸驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包含多級(jí)行星齒輪減速器以及基于溝槽凸輪擺桿結(jié)構(gòu)。為增大原始電機(jī)的輸出扭矩，減速器由總傳動(dòng)比為3 802的5 級(jí)行星齒輪構(gòu)成，每級(jí)行星齒輪有三個(gè)行星輪和一個(gè)太陽(yáng)輪。此外，多級(jí)齒輪還增大了摩擦力，使反行程時(shí)驅(qū)動(dòng)力不足以克服摩擦力矩，從而實(shí)現(xiàn)“自鎖”?；跍喜弁馆啍[桿的擺動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵：減速器輸出軸與擺動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)中心重合，圓端銷(xiāo)在外部約束為溝槽的凸輪輪廓里滑動(dòng)，通過(guò)雙軸驅(qū)動(dòng)兩側(cè)夾持臂相向運(yùn)動(dòng)。因此需要兩個(gè)溝槽凸輪，且二者組合在平面擺動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)上。

記擺桿初始擺角θ0，凸輪初始角為φ0，擺桿長(zhǎng)度l，凸輪擺桿中心距a，凸輪升程角為φ，擺桿轉(zhuǎn)角θ，可根據(jù)幾何關(guān)系通過(guò)解析法計(jì)算凸輪的理論輪廓線(xiàn)。因機(jī)構(gòu)勻速夾持，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的擺桿轉(zhuǎn)角θ與凸輪轉(zhuǎn)角φ滿(mǎn)足式（19），其中C為常數(shù)：

3.2.4 設(shè)計(jì)結(jié)果

表1 給出夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。由式（7）、（8）得頂點(diǎn)D的速度和加速度，如圖 7 所示。D的速度與張角近乎呈線(xiàn)性從2.65 mm·s-1減少至0.15 mm·s-1，R2=0.9958；加速度aD不超過(guò) 6.3 mm·s-2，不至于損傷體內(nèi)生物組織。NCAAS 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 夾持機(jī)構(gòu)Fig.8 Clamping mechanism

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Design Parameters

圖7 頂點(diǎn)速度，加速度與夾持臂張角的關(guān)系Fig.7 Relationship between vertex velocity，acceleration and opening angle of the clamping arm

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 NCAAS 樣機(jī)

NCAAS 樣機(jī)如圖9 所示，機(jī)構(gòu)主體由醫(yī)用尼龍PA6 材料經(jīng)3D 打印制成，高度42.7 mm，長(zhǎng)度最大為68.2 mm，夾持臂張口內(nèi)徑為10.1~23.8 mm。執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量為55.19 g，表面覆蓋一層2 mm 厚生物相容性良好的硅膠薄膜，以減少植入體內(nèi)導(dǎo)致的組織增生，并能提升夾持腸道的柔性，減少醫(yī)用尼龍剛性材料直接接觸腸道造成的損傷。

圖9 NCAAS 樣機(jī)Fig.9 NCAAS prototype

夾持機(jī)構(gòu)由從上至下依次設(shè)置三組交錯(cuò)疊放的夾持臂和基于溝槽凸輪擺桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，每組夾持臂包含通過(guò)鈦合金螺釘鉸接的兩個(gè)操作臂。夾持臂近端分別固定于兩根軸上，上、下層夾持臂連于同一根軸，中層夾持臂連接另一根軸并置于另側(cè)，夾持臂間縱向間隔4 mm。為實(shí)現(xiàn)封閉功能，三組夾持臂遠(yuǎn)端通過(guò)醫(yī)用鈦合金螺釘一并鉸接。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，NCAAS 機(jī)構(gòu)只能由凸輪驅(qū)動(dòng)擺桿，無(wú)法反向驅(qū)動(dòng)；此外，與僅依靠齒輪傳動(dòng)的方法［21］相比，其受力面、受力強(qiáng)度更大。

4.2 控排便時(shí)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)

使用秒表記錄3 次執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控便、排便時(shí)長(zhǎng)，二者分別對(duì)應(yīng)夾持機(jī)構(gòu)的夾持、張開(kāi)時(shí)間，結(jié)果如表2 所示，控排便平均時(shí)間為7.25 s。

表2 排便和控便時(shí)長(zhǎng)記錄表Tab.2 Defecation and defecation control time record

4.3 夾持性能實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證NCAAS 的夾持性能，本文實(shí)施了機(jī)構(gòu)夾持豬大腸的離體實(shí)驗(yàn)?？紤]到人體直腸肛管的特征，離體實(shí)驗(yàn)裝置如圖10（a）所示，將一段直徑約20 mm、厚度3 mm、長(zhǎng)度200 mm 的新鮮豬大腸的上端套入波紋管并用扎口帶密封，波紋管豎直固定在鐵架臺(tái)上，鐵架臺(tái)下方有一塊中間有圓孔的支撐臺(tái)。NCAAS 樣機(jī)放置于圓孔上方，夾持豬大腸下端保持夾緊控便的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，向波紋管頂注入自來(lái)水使腸腔膨脹、增壓以模擬糞便積累，糞便量以100 g 為間隔通過(guò)注水量模擬，等待腸道及機(jī)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)記錄注水量與液體滲漏情況。

圖10 夾持性能實(shí)驗(yàn)圖Fig. 10 Clamping performance experimental

文獻(xiàn)［14］表明糞便積累到 110 g、腸腔壓力約2.5 kPa 時(shí)人體將產(chǎn)生便意；而當(dāng)糞便增至220g、腸壓增至4.6 kPa 時(shí)內(nèi)括約肌將失去協(xié)助控便能力，人體必須排便。表3 結(jié)果表明NCAAS 樣機(jī)在糞便量達(dá)700 g 時(shí)發(fā)生少量滲漏，因此最大控便量約為700 g，滿(mǎn)足人體日常生理需求。如圖10（b）所示，NCAAS 樣機(jī)閉合時(shí)腸道表面保持平滑、無(wú)明顯褶皺，該現(xiàn)象說(shuō)明夾持機(jī)構(gòu)尺寸選擇合理、安全；如圖 10（c）所示，NCAAS 控便時(shí)形成的肛腸角不大于90°。

表3 夾持性能實(shí)驗(yàn)記錄表Tab.3 Clamping performance test record

5 結(jié) 論

本文提出了一種AAS 夾持機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法：首先建立夾持機(jī)構(gòu)的幾何模型和數(shù)學(xué)模型，對(duì)相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行理論推導(dǎo)；然后通過(guò)有限元分析對(duì)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證理論分析可行性；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)構(gòu)的有效性。該方法對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有普適性。

基于該方法，本文設(shè)計(jì)了一種能封閉包繞直腸和肛管的NCAAS 夾持機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)由基于溝槽凸輪擺桿傳動(dòng)的三層醫(yī)用尼龍夾持臂組成，表面覆一層醫(yī)用硅膠膜，具有較好的生物相容性和較短的響應(yīng)時(shí)間。夾持腸道過(guò)程中，本文基于虛功原理推導(dǎo)了夾持力方程，基于有限元進(jìn)行瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果顯示近似控便狀態(tài)時(shí)肛腸角為95.2°，夾緊時(shí)肛腸角為62.2°，說(shuō)明了該夾持機(jī)構(gòu)控便的可行性；而且?jiàn)A持臂在腸道上的作用力1.6 N 小于腸道破裂壓力，具備一定生物力學(xué)相容性。質(zhì)量55.19 g 的NCAAS 樣機(jī)高度42.7 mm，長(zhǎng)度不超過(guò)68.2 mm，控排便平均時(shí)長(zhǎng)7.25 s，較大縮短了AAS 的響應(yīng)時(shí)間。離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NCAAS 控便量達(dá)700 g，肛腸角小于90°，腸道夾持區(qū)域平滑，因此能夠滿(mǎn)足人體控便要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。

但本文所述NCAAS 樣機(jī)所實(shí)施的離體實(shí)驗(yàn)采用自來(lái)水模擬糞便，而實(shí)際糞便多為半固態(tài)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，夾持力數(shù)據(jù)收集不足，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定局限性。NCAAS 最終將原位植入于潮濕、復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境，今后工作將聚焦于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)從而驗(yàn)證機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期植入的有效性。