打結(jié)，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(guó)古人結(jié)繩記事，就蘊(yùn)含著將力學(xué)結(jié)構(gòu)與信息聯(lián)系的智慧。那么線繩打結(jié)與解開的力學(xué)機(jī)制，能否和機(jī)器人或智能系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，來解決外科機(jī)器人與微創(chuàng)手術(shù)中縫合難控“輕重”的難題？

　　中國(guó)科學(xué)家通過多年研究給出新解。中國(guó)科學(xué)院院士、浙江大學(xué)航空航天學(xué)院交叉力學(xué)中心教授楊衛(wèi)團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院院士、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院院長(zhǎng)蔡秀軍團(tuán)隊(duì)協(xié)作，聯(lián)合多個(gè)學(xué)科開展交叉研究，闡明了“基于活結(jié)的力學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制”，并創(chuàng)新性提出“Sliputure”——活結(jié)智能縫線，成功將其應(yīng)用于外科縫合，并有望指導(dǎo)其他機(jī)器人和智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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

研究成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》并登上雜志封面。研究團(tuán)隊(duì)供圖

　　手術(shù)臺(tái)上的“力盲”困境與“死結(jié)”難題

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

　　蔡秀軍親身見證并推動(dòng)著外科手術(shù)從大開大合到精準(zhǔn)微創(chuàng)的迭代，也深刻感受到當(dāng)前外科醫(yī)生在手術(shù)臺(tái)上陷入的“力盲”困境。

　　臨床上普遍使用的“外科結(jié)”是一種死結(jié)，用于閉合組織。這種結(jié)一旦打牢，便很難調(diào)整。因此，拉緊手術(shù)結(jié)所施加力度的大小，直接影響組織愈合，成為影響手術(shù)效果的關(guān)鍵因素。

　　“此前業(yè)界考慮的最普遍的解決方案是在機(jī)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(shù)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(shí)反映縫線上的張力?！闭憬髮W(xué)醫(yī)學(xué)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(shí)驗(yàn)室里，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)熱烈討論這個(gè)話題。陳鳴宇提出感知力反饋的信息缺失，造成無法精準(zhǔn)施加力的“死結(jié)”難題。

　　“那就在旁邊先打個(gè)活結(jié)?！睏铊蛐裱芯繂T如是想象道：當(dāng)醫(yī)生拉緊縫線時(shí)，活結(jié)的結(jié)點(diǎn)被解開瞬間所產(chǎn)生的、一個(gè)預(yù)設(shè)好的精準(zhǔn)峰值力，會(huì)通過這根縫線實(shí)時(shí)傳送給另一頭的死結(jié)。

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

活結(jié)力學(xué)信息中寫入與讀取過程。研究團(tuán)隊(duì)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(jié)控死結(jié)”的靈感迸發(fā)，到穩(wěn)定可靠的科學(xué)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)解決了多個(gè)關(guān)鍵問題。最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題在于，活結(jié)必須穩(wěn)定可控且保持力的一致性。即如何確保每一個(gè)活結(jié)都能在預(yù)設(shè)的、唯一的、精準(zhǔn)的力度下打開？

　　團(tuán)隊(duì)通過高速攝像機(jī)和Micro-CT捕捉活結(jié)細(xì)微的滑動(dòng)軌跡，通過力學(xué)建模、有限元仿真等手段發(fā)現(xiàn)了活結(jié)蘊(yùn)藏的有序規(guī)律——其打開力與縫線編活結(jié)時(shí)拉緊結(jié)點(diǎn)的力(預(yù)緊力)、結(jié)環(huán)數(shù)量、直徑、摩擦系數(shù)、模量相關(guān)。因此僅需要改變上述參數(shù)，即可獲得對(duì)應(yīng)打開力的活結(jié)。

　　實(shí)驗(yàn)顯示，針對(duì)特定的活結(jié)，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(tuán)隊(duì)歷經(jīng)上千次設(shè)計(jì)迭代，完成了這套“基于活結(jié)的力學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制”的程序，并最終成功將這一力學(xué)“密碼”穩(wěn)定地“編織”進(jìn)外科縫線中，研發(fā)出“Sliputure(活結(jié)智能縫線)”，實(shí)現(xiàn)了“活結(jié)”對(duì)“死結(jié)”的精準(zhǔn)賦能。

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

研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室。張煜歡 攝

　　這意味著，其不僅能在開放手術(shù)中使用，也能適配腹腔鏡手術(shù)和機(jī)器人手術(shù)。此外，通過與手術(shù)機(jī)器人深度集成，機(jī)械臂搭載的自動(dòng)識(shí)別與反饋系統(tǒng)一經(jīng)檢測(cè)到活結(jié)打開信號(hào)，立即觸發(fā)機(jī)械臂鎖定停止機(jī)制，實(shí)現(xiàn)“感知-反饋-制動(dòng)”的閉環(huán)控制。

　　目前，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的內(nèi)鏡和手術(shù)機(jī)器人，已能幫助相對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生提升打結(jié)力度控制的精確性，使其接近經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生。這項(xiàng)技術(shù)為機(jī)器人裝上了力學(xué)結(jié)構(gòu)式的“神經(jīng)末梢”，解決了“力盲”難點(diǎn)，將外科操作的力推進(jìn)到“可量化”和“可感知”新紀(jì)元。

　　目前，研究團(tuán)隊(duì)已構(gòu)建了針對(duì)不同組織的力值數(shù)據(jù)庫(kù)，正致力于開發(fā)適用于消化道、心血管、神經(jīng)外科等領(lǐng)域的機(jī)器人手術(shù)高精度縫合系列產(chǎn)品。

　　李鐵風(fēng)稱，“活結(jié)”力學(xué)傳導(dǎo)機(jī)制這種看似原始的解決方案，其實(shí)是研究者們對(duì)其結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含本質(zhì)規(guī)律的泛化應(yīng)用。未來，這種不依賴復(fù)雜電子器件構(gòu)建操作邏輯的方法原理，不僅能滿足常規(guī)手術(shù)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(gòu)造或調(diào)控)中展現(xiàn)出應(yīng)用前景，走向更廣闊的星辰大海。