11月26日，Nature發(fā)表了一項(xiàng)由浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的研究。標(biāo)題極其質(zhì)樸：Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation（活結(jié)機(jī)械引導(dǎo)力傳遞與機(jī)器人操作）。這項(xiàng)巧妙的研究，利用一種看似簡(jiǎn)單的“活結(jié)”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高精度、可編程的力信號(hào)傳遞，為手術(shù)機(jī)器人、微創(chuàng)手術(shù)和資源匱乏地區(qū)的醫(yī)療操作提供了全新解決方案。

這項(xiàng)論文作者超過(guò)30多位，展現(xiàn)了外科手術(shù)、微創(chuàng)器械和工程力學(xué)跨學(xué)科背景的研究成果，通訊作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院蔡秀軍院士、浙江大學(xué)交叉力學(xué)中心楊衛(wèi)院士等人。此論文也是Nature當(dāng)期的封面論文。

一個(gè)繩結(jié)的現(xiàn)代智慧

活結(jié)，這個(gè)人類使用了數(shù)千年的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，在我們系鞋帶、打包物品時(shí)常常用到。這個(gè)看似普通的結(jié)，其實(shí)蘊(yùn)含著精密的力學(xué)原理——機(jī)械傳動(dòng)。打好的活結(jié)，解開時(shí)需要的拉力大小取決于結(jié)的或松或緊。而結(jié)的松緊程度，受控制打結(jié)時(shí)拉力的大小。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)精密實(shí)驗(yàn)揭示了滑結(jié)的“智能”源于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：在打結(jié)時(shí)施加預(yù)設(shè)的力，結(jié)的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生接觸、摩擦和彈性變形的復(fù)雜相互作用；而當(dāng)拉緊結(jié)的兩端時(shí)，結(jié)會(huì)先緩慢變形，在達(dá)到臨界力值后突然彈開，釋放出峰值力信號(hào)。這個(gè)力的大小高度可控且重復(fù)性極強(qiáng)：在500次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，一致性高達(dá)95.4%。這意味著，活結(jié)可以像“機(jī)械密碼”一樣，把預(yù)設(shè)的力信息“寫”進(jìn)去，再在需要時(shí)“讀”出來(lái)，從而精準(zhǔn)地編碼和傳遞力的信息。

活結(jié)，從一個(gè)模糊的“感覺(jué)”，變成了一個(gè)輸入和輸出關(guān)系明確、高度可重復(fù)的 “力學(xué)傳遞函數(shù)”。

利用活結(jié)作為機(jī)械信息傳感單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精準(zhǔn)力操控。其核心在于將打結(jié)力作為信息“寫入”活結(jié)，再通過(guò)解結(jié)時(shí)的峰值力“讀取”信息，最終在微操作、協(xié)同作業(yè)及重載救援等多種場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人操作的智能反饋與精準(zhǔn)控制

讓手術(shù)打結(jié)“有據(jù)可依”

在外科手術(shù)中，縫合打結(jié)的力度控制一直是個(gè)難題。力度太輕，傷口可能裂開；力度太重，又會(huì)導(dǎo)致組織缺血壞死。傳統(tǒng)上，醫(yī)生只能依靠經(jīng)驗(yàn)和手感來(lái)判斷，存在很大的不確定性。

研究團(tuán)隊(duì)將活結(jié)與外科縫合線結(jié)合，發(fā)明了“智能縫合線”。使用時(shí)，醫(yī)生先按常規(guī)方法打好手術(shù)結(jié)，然后拉動(dòng)附帶的活結(jié)。當(dāng)活結(jié)解開時(shí)，傳遞到手術(shù)結(jié)上的力正好等于預(yù)設(shè)的安全值。

為了驗(yàn)證效果，團(tuán)隊(duì)邀請(qǐng)了10名年輕醫(yī)生和5名臨床經(jīng)驗(yàn)超過(guò)10年的資深醫(yī)生進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，使用普通縫合線時(shí)，年輕醫(yī)生的打結(jié)力度波動(dòng)較大；而使用活結(jié)縫合線后，他們的力度精度提升了121%，甚至超過(guò)了使用傳統(tǒng)縫合線的資深醫(yī)生水平。

從實(shí)驗(yàn)室到手術(shù)臺(tái)的嚴(yán)謹(jǐn)之路

研究的驗(yàn)證過(guò)程同樣令人印象深刻。團(tuán)隊(duì)不僅在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了系統(tǒng)的力學(xué)測(cè)試，還通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其臨床價(jià)值。在大鼠結(jié)腸修復(fù)實(shí)驗(yàn)中，使用智能縫合線的組別展現(xiàn)出多方面優(yōu)勢(shì)：血供恢復(fù)更好、愈合速度更快、并發(fā)癥更少。特別是在術(shù)后粘連方面，智能縫合線組的發(fā)生率顯著低于傳統(tǒng)方法。

團(tuán)隊(duì)還成功在豬模型上完成了腹腔鏡和機(jī)器人手術(shù)實(shí)驗(yàn)，證明了這項(xiàng)技術(shù)在微創(chuàng)手術(shù)中的實(shí)用價(jià)值。

讓機(jī)器人“看懂”活結(jié)

在機(jī)器人手術(shù)領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，讓機(jī)器人能夠“看見(jiàn)”活結(jié)的狀態(tài)。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到活結(jié)解開，就會(huì)立即停止機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，防止過(guò)度拉扯。“這相當(dāng)于為機(jī)器人手術(shù)加上了雙重保險(xiǎn)，”研究人員形容道，“既有機(jī)械層面的力限制，又有視覺(jué)層面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。”

此外，團(tuán)隊(duì)還將活結(jié)集成到機(jī)械臂的傳動(dòng)系統(tǒng)中，作為“機(jī)械保險(xiǎn)絲”。當(dāng)外力超過(guò)安全閾值時(shí)，活結(jié)會(huì)自動(dòng)解開，中斷動(dòng)力傳遞，保障人機(jī)交互的安全。

機(jī)器人手術(shù)中縫合線的機(jī)械傳遞路徑與智能打結(jié)示意。基于實(shí)時(shí)成像提供的視覺(jué)反饋，系統(tǒng)能夠智能地精準(zhǔn)控制外科打結(jié)的力度

簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能

這項(xiàng)研究提出了一個(gè)反直覺(jué)的核心概念，用活結(jié)這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，不僅給出了可量化的科學(xué)理論，還解決了真實(shí)世界中手術(shù)力度控制和機(jī)器人安全操作的實(shí)際問(wèn)題，展示了跨學(xué)科的深度和從理論到應(yīng)用的完整路徑。

它用最簡(jiǎn)潔的方式，解決了最復(fù)雜的問(wèn)題之一——“力的精準(zhǔn)控制”。此論文完美的表現(xiàn)了頂級(jí)期刊所青睞的，在簡(jiǎn)潔背后蘊(yùn)含的深刻科學(xué)思想與廣泛影響力的突破性工作。

編輯：吳歐

論文信息

發(fā)布期刊 Nature

發(fā)布時(shí)間 2025年11月26日

論文標(biāo)題 Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09673-w）