随着医疗技术的发展,外科手术的形式不断地进化,从传统的开腹手术形式逐渐发展出多孔微创手术,进而发展出了单孔微创手术和经自然腔道手术。与手术形式的发展相对应,手术器械也在同步地进行发展和更新。在单孔微创手术以及经自然腔道微创手术阶段,手术器械以及工具为了适应相应的手术操作形式完成复杂的手术操作,必须具备刚柔可控的特性以使能够完成不同的手术操作动作。本文针对手术器械不同部分对刚度控制的需求,分别从机理分析,力学性能测试,结构方案设计,操作可行性实验等方面进行研究。本文的具体研究内容如下:首先,针对微创手术的手术模式以及手术器械的结构形式进行研究,并且以自然腔道手术器械为例详细阐述了器械设计方法和参数规范。其次以本实验室所研发自然腔道手术器械样机做了切除操作演示。结合手术操作需求,立足目前手术器械操作情况,认为手术器械尤其是手术器械执行端承托部分需要进行变刚度设计。其次,详细阐述了基于海绵的变刚度结构特性机理研究。一是分析了聚乙烯醇缩甲醛海绵遇水后的溶胀效应。该方案中聚乙烯醇缩甲醛海绵的物理交联点主导结构的刚度,通过与水的结合、分离来控制刚度的变化。二是研究了以开孔结构海绵填充低熔点材料后组成的混合材料的双组分机制。通过混合材料中的低熔点材料在温度、水或有机溶剂中融化、溶解来实现混合材料刚度的变化。再次,提出刚度可变外科手术器械设计方案。首先以聚乙烯醇缩甲醛海绵与不锈钢弹簧组成的结构作为支撑结构设计方案,以来实现手术器械操作端的刚度控制;与传统离散式关节式蛇形结构不同,执行器设计为连续型柔性结构,具有更灵活更易操作特点;以开孔结构海绵(聚氨酯海绵)填充低熔点材料组成的混合材料为基础,设计植入式栓塞工具来满足微小尺度下特殊病例(如动脉瘤)的手术需求。最后,针对上述设计方案,研制了原理样机,并对设计方案分别进行操作性、可行性实验验证,并且通过体外演示实验评定实际使用效果。实验结果表明,论文所提出的设计方案操作好、可行性高,对于手术器械和手术工具的性能提升较为显著。