杭州11月27日电(张煜欢)打结，在许多自然现象中存在，也是人类生产生活中的一种重要方法。如中国古人结绳记事，就蕴含着将力学结构与信息联系的智慧。那么线绳打结与解开的力学机制，能否和机器人或智能系统关联，来解决外科机器人与微创手术中缝合难控“轻重”的难题？

　　中国科学家通过多年研究给出新解。中国科学院院士、浙江大学航空航天学院交叉力学中心教授杨卫团队与中国科学院院士、浙江大学医学院附属邵逸夫医院院长蔡秀军团队协作，联合多个学科开展交叉研究，阐明了“基于活结的力学传导机制”，并创新性提出“Sliputure”——活结智能缝线，成功将其应用于外科缝合，并有望指导其他机器人和智能结构设计。

　　北京时间11月27日，上述研究发表于国际顶级期刊《自然》，并登上杂志封面。

研究成果发表于国际顶级期刊《自然》并登上杂志封面。研究团队供图

　　手术台上的“力盲”困境与“死结”难题

　　在传统开放手术中，医生的双手能直接感知组织软硬，精准掌控缝合力度，但代价是患者创伤大、恢复慢；而在微创手术中，这种直接的力反馈大大减弱，使得打结力度的精准控制非常依赖医生的个人经验。

　　蔡秀军亲身见证并推动着外科手术从大开大合到精准微创的迭代，也深刻感受到当前外科医生在手术台上陷入的“力盲”困境。

　　临床上普遍使用的“外科结”是一种死结，用于闭合组织。这种结一旦打牢，便很难调整。因此，拉紧手术结所施加力度的大小，直接影响组织愈合，成为影响手术效果的关键因素。

　　“此前业界考虑的最普遍的解决方案是在机械臂上加装传感器。但是由于医生无法通过改变操作过程，让每次手术中传感器都与缝线处于同样的角度，因此传感器所感知的力难以真实反映缝线上的张力。”浙江大学医学院附属邵逸夫医院医师陈鸣宇说。

　　在浙大玉泉校区的实验室里，两个团队热烈讨论这个话题。陈鸣宇提出感知力反馈的信息缺失，造成无法精准施加力的“死结”难题。

　　“那就在旁边先打个活结。”杨栩旭研究员如是想象道：当医生拉紧缝线时，活结的结点被解开瞬间所产生的、一个预设好的精准峰值力，会通过这根缝线实时传送给另一头的死结。

　　李铁风教授提出并阐明了活结系统的力学机制与逻辑操作过程：首先，做活结过程中把精准的峰值力信息存在结中；其次，解开活结过程则可将力的信息传递给串联的那个需要系紧的死结中；最后，力学模型刻画信息和力的传递并接入机器人或人的操纵系统。

活结力学信息中写入与读取过程。研究团队供图

　　将刹那的“灵感”锻造成可靠的“工具”

　　从天马行空般“以活结控死结”的灵感迸发，到稳定可靠的科学技术，研究团队解决了多个关键问题。最具挑战性的技术难题在于，活结必须稳定可控且保持力的一致性。即如何确保每一个活结都能在预设的、唯一的、精准的力度下打开？

　　团队通过高速摄像机和Micro-CT捕捉活结细微的滑动轨迹，通过力学建模、有限元仿真等手段发现了活结蕴藏的有序规律——其打开力与缝线编活结时拉紧结点的力(预紧力)、结环数量、直径、摩擦系数、模量相关。因此仅需要改变上述参数，即可获得对应打开力的活结。

　　实验显示，针对特定的活结，解开它们最后那一瞬间的力(峰值力)是高度一致的(95.4%)。

　　在医工思维的碰撞与磨合中，研究团队历经上千次设计迭代，完成了这套“基于活结的力学传导机制”的程序，并最终成功将这一力学“密码”稳定地“编织”进外科缝线中，研发出“Sliputure(活结智能缝线)”，实现了“活结”对“死结”的精准赋能。

　　从开放大鼠肠道修复，到腹腔镜下活体猪肠道修复，再到机器人下活体猪肠道修复，其表现出极佳效果：术后脏器血供与组织的愈合程度均得到改善。

研究团队的实验室。张煜欢 摄

　　这意味着，其不仅能在开放手术中使用，也能适配腹腔镜手术和机器人手术。此外，通过与手术机器人深度集成，机械臂搭载的自动识别与反馈系统一经检测到活结打开信号，立即触发机械臂锁定停止机制，实现“感知-反馈-制动”的闭环控制。

　　目前，应用这项技术的内镜和手术机器人，已能帮助相对缺乏经验的外科医生提升打结力度控制的精确性，使其接近经验丰富的外科医生。这项技术为机器人装上了力学结构式的“神经末梢”，解决了“力盲”难点，将外科操作的力推进到“可量化”和“可感知”新纪元。

　　目前，研究团队已构建了针对不同组织的力值数据库，正致力于开发适用于消化道、心血管、神经外科等领域的机器人手术高精度缝合系列产品。

　　李铁风称，“活结”力学传导机制这种看似原始的解决方案，其实是研究者们对其结构蕴含本质规律的泛化应用。未来，这种不依赖复杂电子器件构建操作逻辑的方法原理，不仅能满足常规手术中的深腔环境，还有望在其他极端条件(深海、深空、深地等特种作业)和极限尺寸研究(极微观系统构造或调控)中展现出应用前景，走向更广阔的星辰大海。(完)

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