打結，在許多自然現(xiàn)象中存在，也是人類生產(chǎn)生活中的一種重要方法。如中國古人結繩記事，就蘊含著將力學結構與信息聯(lián)系的智慧。那么線繩打結與解開的力學機制，能否和機器人或智能系統(tǒng)關聯(lián)，來解決外科機器人與微創(chuàng)手術中縫合難控“輕重”的難題？

　　中國科學家通過多年研究給出新解。中國科學院院士、浙江大學航空航天學院交叉力學中心教授楊衛(wèi)團隊與中國科學院院士、浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院院長蔡秀軍團隊協(xié)作，聯(lián)合多個學科開展交叉研究，闡明了“基于活結的力學傳導機制”，并創(chuàng)新性提出“Sliputure”——活結智能縫線，成功將其應用于外科縫合，并有望指導其他機器人和智能結構設計。

　　北京時間11月27日，上述研究發(fā)表于國際頂級期刊《自然》，并登上雜志封面。

研究成果發(fā)表于國際頂級期刊《自然》并登上雜志封面。研究團隊供圖

　　手術臺上的“力盲”困境與“死結”難題

　　在傳統(tǒng)開放手術中，醫(yī)生的雙手能直接感知組織軟硬，精準掌控縫合力度，但代價是患者創(chuàng)傷大、恢復慢；而在微創(chuàng)手術中，這種直接的力反饋大大減弱，使得打結力度的精準控制非常依賴醫(yī)生的個人經(jīng)驗。

　　蔡秀軍親身見證并推動著外科手術從大開大合到精準微創(chuàng)的迭代，也深刻感受到當前外科醫(yī)生在手術臺上陷入的“力盲”困境。

　　臨床上普遍使用的“外科結”是一種死結，用于閉合組織。這種結一旦打牢，便很難調整。因此，拉緊手術結所施加力度的大小，直接影響組織愈合，成為影響手術效果的關鍵因素。

　　“此前業(yè)界考慮的最普遍的解決方案是在機械臂上加裝傳感器。但是由于醫(yī)生無法通過改變操作過程，讓每次手術中傳感器都與縫線處于同樣的角度，因此傳感器所感知的力難以真實反映縫線上的張力?！闭憬髮W醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院醫(yī)師陳鳴宇說。

　　在浙大玉泉校區(qū)的實驗室里，兩個團隊熱烈討論這個話題。陳鳴宇提出感知力反饋的信息缺失，造成無法精準施加力的“死結”難題。

　　“那就在旁邊先打個活結。”楊栩旭研究員如是想象道：當醫(yī)生拉緊縫線時，活結的結點被解開瞬間所產(chǎn)生的、一個預設好的精準峰值力，會通過這根縫線實時傳送給另一頭的死結。

　　李鐵風教授提出并闡明了活結系統(tǒng)的力學機制與邏輯操作過程：首先，做活結過程中把精準的峰值力信息存在結中；其次，解開活結過程則可將力的信息傳遞給串聯(lián)的那個需要系緊的死結中；最后，力學模型刻畫信息和力的傳遞并接入機器人或人的操縱系統(tǒng)。

活結力學信息中寫入與讀取過程。研究團隊供圖

　　將剎那的“靈感”鍛造成可靠的“工具”

　　從天馬行空般“以活結控死結”的靈感迸發(fā)，到穩(wěn)定可靠的科學技術，研究團隊解決了多個關鍵問題。最具挑戰(zhàn)性的技術難題在于，活結必須穩(wěn)定可控且保持力的一致性。即如何確保每一個活結都能在預設的、唯一的、精準的力度下打開？

　　團隊通過高速攝像機和Micro-CT捕捉活結細微的滑動軌跡，通過力學建模、有限元仿真等手段發(fā)現(xiàn)了活結蘊藏的有序規(guī)律——其打開力與縫線編活結時拉緊結點的力(預緊力)、結環(huán)數(shù)量、直徑、摩擦系數(shù)、模量相關。因此僅需要改變上述參數(shù)，即可獲得對應打開力的活結。

　　實驗顯示，針對特定的活結，解開它們最后那一瞬間的力(峰值力)是高度一致的(95.4%)。

　　在醫(yī)工思維的碰撞與磨合中，研究團隊歷經(jīng)上千次設計迭代，完成了這套“基于活結的力學傳導機制”的程序，并最終成功將這一力學“密碼”穩(wěn)定地“編織”進外科縫線中，研發(fā)出“Sliputure(活結智能縫線)”，實現(xiàn)了“活結”對“死結”的精準賦能。

　　從開放大鼠腸道修復，到腹腔鏡下活體豬腸道修復，再到機器人下活體豬腸道修復，其表現(xiàn)出極佳效果：術后臟器血供與組織的愈合程度均得到改善。

研究團隊的實驗室。張煜歡 攝

　　這意味著，其不僅能在開放手術中使用，也能適配腹腔鏡手術和機器人手術。此外，通過與手術機器人深度集成，機械臂搭載的自動識別與反饋系統(tǒng)一經(jīng)檢測到活結打開信號，立即觸發(fā)機械臂鎖定停止機制，實現(xiàn)“感知-反饋-制動”的閉環(huán)控制。

　　目前，應用這項技術的內鏡和手術機器人，已能幫助相對缺乏經(jīng)驗的外科醫(yī)生提升打結力度控制的精確性，使其接近經(jīng)驗豐富的外科醫(yī)生。這項技術為機器人裝上了力學結構式的“神經(jīng)末梢”，解決了“力盲”難點，將外科操作的力推進到“可量化”和“可感知”新紀元。

　　目前，研究團隊已構建了針對不同組織的力值數(shù)據(jù)庫，正致力于開發(fā)適用于消化道、心血管、神經(jīng)外科等領域的機器人手術高精度縫合系列產(chǎn)品。

　　李鐵風稱，“活結”力學傳導機制這種看似原始的解決方案，其實是研究者們對其結構蘊含本質規(guī)律的泛化應用。未來，這種不依賴復雜電子器件構建操作邏輯的方法原理，不僅能滿足常規(guī)手術中的深腔環(huán)境，還有望在其他極端條件(深海、深空、深地等特種作業(yè))和極限尺寸研究(極微觀系統(tǒng)構造或調控)中展現(xiàn)出應用前景，走向更廣闊的星辰大海。