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11月26日，Nature發(fā)表了一項由浙江大學團隊發(fā)表的研究。標題極其質(zhì)樸：Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation（活結(jié)機械引導力傳遞與機器人操作）。這項巧妙的研究，利用一種看似簡單的“活結(jié)”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高精度、可編程的力信號傳遞，為手術(shù)機器人、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。

(相關(guān)資料圖)

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

一個繩結(jié)的現(xiàn)代智慧

活結(jié)，這個人類使用了數(shù)千年的簡單結(jié)構(gòu)，在我們系鞋帶、打包物品時常常用到。這個看似普通的結(jié)，其實蘊含著精密的力學原理——機械傳動。打好的活結(jié)，解開時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)時拉力的大小。

團隊通過精密實驗揭示了滑結(jié)的“智能”源于其拓撲結(jié)構(gòu)：在打結(jié)時施加預設的力，結(jié)的內(nèi)部會產(chǎn)生接觸、摩擦和彈性變形的復雜相互作用；而當拉緊結(jié)的兩端時，結(jié)會先緩慢變形，在達到臨界力值后突然彈開，釋放出峰值力信號。這個力的大小高度可控且重復性極強：在500次重復實驗中，一致性高達95.4%。這意味著，活結(jié)可以像“機械密碼”一樣，把預設的力信息“寫”進去，再在需要時“讀”出來，從而精準地編碼和傳遞力的信息。

活結(jié)，從一個模糊的“感覺”，變成了一個輸入和輸出關(guān)系明確、高度可重復的 “力學傳遞函數(shù)”。

利用活結(jié)作為機械信息傳感單元，實現(xiàn)機器人精準力操控。其核心在于將打結(jié)力作為信息“寫入”活結(jié)，再通過解結(jié)時的峰值力“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景中實現(xiàn)對機器人操作的智能反饋與精準控制

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難題。力度太輕，傷口可能裂開；力度太重，又會導致組織缺血壞死。傳統(tǒng)上，醫(yī)生只能依靠經(jīng)驗和手感來判斷，存在很大的不確定性。

研究團隊將活結(jié)與外科縫合線結(jié)合，發(fā)明了“智能縫合線”。使用時，醫(yī)生先按常規(guī)方法打好手術(shù)結(jié)，然后拉動附帶的活結(jié)。當活結(jié)解開時，傳遞到手術(shù)結(jié)上的力正好等于預設的安全值。

為了驗證效果，團隊邀請了10名年輕醫(yī)生和5名臨床經(jīng)驗超過10年的資深醫(yī)生進行測試。結(jié)果顯示，使用普通縫合線時，年輕醫(yī)生的打結(jié)力度波動較大；而使用活結(jié)縫合線后，他們的力度精度提升了121%，甚至超過了使用傳統(tǒng)縫合線的資深醫(yī)生水平。

從實驗室到手術(shù)臺的嚴謹之路

研究的驗證過程同樣令人印象深刻。團隊不僅在實驗室中進行了系統(tǒng)的力學測試，還通過動物實驗證實了其臨床價值。在大鼠結(jié)腸修復實驗中，使用智能縫合線的組別展現(xiàn)出多方面優(yōu)勢：血供恢復更好、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。

團隊還成功在豬模型上完成了腹腔鏡和機器人手術(shù)實驗，證明了這項技術(shù)在微創(chuàng)手術(shù)中的實用價值。

讓機器人“看懂”活結(jié)

在機器人手術(shù)領(lǐng)域，團隊進一步開發(fā)了視覺識別系統(tǒng)，讓機器人能夠“看見”活結(jié)的狀態(tài)。一旦系統(tǒng)檢測到活結(jié)解開，就會立即停止機械臂的運動，防止過度拉扯。“這相當于為機器人手術(shù)加上了雙重保險，”研究人員形容道，“既有機械層面的力限制，又有視覺層面的實時監(jiān)控?！?/p>

此外，團隊還將活結(jié)集成到機械臂的傳動系統(tǒng)中，作為“機械保險絲”。當外力超過安全閾值時，活結(jié)會自動解開，中斷動力傳遞，保障人機交互的安全。

機器人手術(shù)中縫合線的機械傳遞路徑與智能打結(jié)示意。基于實時成像提供的視覺反饋，系統(tǒng)能夠智能地精準控制外科打結(jié)的力度

簡單結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復雜功能

這項研究提出了一個反直覺的核心概念，用活結(jié)這種簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復雜的功能，不僅給出了可量化的科學理論，還解決了真實世界中手術(shù)力度控制和機器人安全操作的實際問題，展示了跨學科的深度和從理論到應用的完整路徑。

它用最簡潔的方式，解決了最復雜的問題之一——“力的精準控制”。此論文完美的表現(xiàn)了頂級期刊所青睞的，在簡潔背后蘊含的深刻科學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)布時間 2025年11月26日

論文標題 Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation

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