中新網杭州11月27日電(張煜歡)打結，在許多自然現象中存在，也是人類生產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關聯，來解決外科機器人與微創手術中縫合難控“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團隊與中國科學院院士、浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院院長蔡秀軍團隊協作，聯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，上述研究發表于國際頂級期刊《自然》，并登上雜志封面。

　　手術臺上的“力盲”困境與“死結”難題

　　在傳統開放手術中，醫生的雙手能直接感知組織軟硬，精準掌控縫合力度，但代價是患者創傷大、恢復慢；而在微創手術中，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生的個人經驗。

　　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的迭代，也深刻感受到當前外科醫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。”浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院醫師陳鳴宇說。

　　在浙大玉泉校區的實驗室里，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：當醫生拉緊縫線時，活結的結點被解開瞬間所產生的、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。

　　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，到穩定可靠的科學技術，研究團隊解決了多個關鍵問題。最具挑戰性的技術難題在于，活結必須穩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現了活結蘊藏的有序規律——其打開力與縫線編活結時拉緊結點的力(預緊力)、結環數量、直徑、摩擦系數、模量相關。因此僅需要改變上述參數，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%)。

　　在醫工思維的碰撞與磨合中，研究團隊歷經上千次設計迭代，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”穩定地“編織”進外科縫線中，研發出“Sliputure(活結智能縫線)”，實現了“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，其表現出極佳效果：術后臟器血供與組織的愈合程度均得到改善。

　　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一經檢測到活結打開信號，立即觸發機械臂鎖定停止機制，實現“感知-反饋-制動”的閉環控制。

　　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驗的外科醫生提升打結力度控制的精確性，使其接近經驗豐富的外科醫生。這項技術為機器人裝上了力學結構式的“神經末梢”，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據庫，正致力于開發適用于消化道、心血管、神經外科等領域的機器人手術高精度縫合系列產品。

　　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，不僅能滿足常規手術中的深腔環境，還有望在其他極端條件(深海、深空、深地等特種作業)和極限尺寸研究(極微觀系統構造或調控)中展現出應用前景，走向更廣闊的星辰大海。(完)