横膈肌是负责吸气的主要肌肉，占健康个体吸气潮气量的70%。膈肌功能障碍可由多种功能障碍引起，包括膈神经损伤和神经肌肉疾病。由于这些病因的退行性性质，使得患者通常会出现机械性呼吸衰竭。严重的膈肌功能障碍或瘫痪可导致慢性呼吸衰竭。当疾病进展超过无创治疗的治疗能力时，患者必须做出艰难的决定，选择通过气管切开术进行永久性有创通气，或在了解其疾病的最终本质后寻求姑息治疗。

有创通气可能会干扰患者生活质量的许多方面，如妨碍说话，需要全职护理，并可能需要患者进入护理机构。因此目前迫切需要治疗性通气的选择，在不牺牲生活质量的情况下恢复呼吸性能，特别是对于那些有最严重的横膈膜功能障碍的患者。

理想的软体机器人驱动器能够复制复杂的、重复的肌肉收缩，如隔膜，同时对生物组织无害。以前，完全植入的软体驱动器已经显示出了增强心脏功能的能力，而许多其他新开发的可植入式机器人也已经在广泛的生物应用中显示出了实用性。由于呼吸衰竭的机械性质，特别是在肌肉萎缩等情况的情况下，植入隔膜的软机器人驱动器有可能机械支持和增强其功能。以前研究软机器人应用于增强呼吸的工作很少，为数不多的例子之一是利用介电弹性体片用于完全取代切除的隔膜和产生运动。相比之下，研究团队的工作是在保持原有隔膜完好的情况下，增强了猪的相关生理指标（通气量，潮气量等）。​

如图1a所示，当隔膜收缩时，隔膜的弧度缩短，整个隔膜片向下移动，充当泵。胸腔容积增加，压力降低，最终驱动呼吸。

研究团队利用气动人工肌肉（PAMs）的收缩功能来模拟和增强横膈肌的自然收缩，选择了较为经典的McKibben型PAM。McKibben型PAM是由可伸缩的编织网，围绕着可通气的橡胶管构成（如图1b）。在本次研究组，PAM在20psi增压下可产生40N的收缩力。从理论上可以利用它的线性收缩来拟合天然隔膜的固有曲率。因此研究团队将PAM置于隔膜上方，末端固定于肋骨上（如图1d）。随着加压，PAM的长度缩短，PAM机械地向下推动隔膜。之后，研究团队通过手术将一对McKibben气动肌肉植入到活猪的体内位于心脏外侧的前后方向（如图1e）。在整个实验过程中都对膈肌进行了透视（图1f，g）。

在动物体实验中，研究团队模拟了动物的各类呼吸功能不全（如通过麻醉诱导呼吸抑制，通过切断膈神经诱导膈肌瘫痪）。通过超声（b型）断层成像显示PAM对隔膜的推动，监测其位移情况。（图2a，b）。为了量化设备和横膈肌的运动，采用了M型模式超声，该模式适用于进行运动分析。图2c，d记录了隔膜每次呼吸时的位移变化，不对PAM加压时，隔膜位移为0.37厘米。加压后，增加至1.92厘米。

研究团队为了评估膈膜辅助系统增强呼吸功能的能力，使用仪器收集动物生理数据，包括呼吸系统内的呼吸流量、体积和压力。软体机器人驱动器的增压通过定制的控制系统进行控制，将与生理数据相同的驱动压力数据输入高分辨率数据采集系统。

通气是驱动二氧化碳交换的关键，因此我们首先测试了流量和容积波形作为衡量通气功能的标准。流量用肺活量仪测量，吸气峰值流量可作为吸气功能的临床指标，它可以直接展示出膈肌辅助系统的效果。将流量与时间积分，可以得到一个随时间变化的容积波形。每次呼吸量（潮气量）和呼吸频率（分钟通气量）是直接测量通气量的最相关参数。呼吸系统内的压力，如胸膜和腹腔压力，揭示了物理上驱动通气的呼吸系统生物力学的信息。

实验开始时，使用异氟醚对动物进行适当麻醉，并进行机械通气。异氟醚会引起呼吸抑制，使潮气量减少，呼吸频率增加。在整个植入手术中，机械通气被用来支持动物。研究团队对每个实验个体采取了一系列的呼吸测试，并在无辅助通气（其中任何自发的呼吸都是由于原始的呼吸驱动）和推杆辅助通气期间收集数据。机械通气被用来恢复和维持呼吸测试之后和之间的正常通气状态。在试验期间，所有的膈神经都是完好的。

3、同步呼吸