浙大最新《Nature》 封面文章！打個活結(jié)

老子在《道德經(jīng)》中描述理想國家的面貌，是“小國寡民，使有什伯之器而不用……使民復結(jié)繩而用之。”即使發(fā)明了各種高效的器具，百姓也并不使用。治大國如烹小鮮，人們就像回歸到如遠古時代用結(jié)繩來記事的自然純樸狀態(tài)。

在人工智能時代，這種返回古老智慧的哲思，仍然被科學家用來解決最復雜的難題。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09673-w

北京時間11月27日，浙江大學交叉力學中心楊衛(wèi)教授團隊，聯(lián)合浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院蔡秀軍教授團隊，共同在《自然》（Nature）上發(fā)表論文《通過活結(jié)結(jié)構(gòu)導引力學信息傳輸與機器人操作》（Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation），并登上雜志封面。

交叉團隊歷時近三年跨學科攻關(guān)，首次提出“基于活結(jié)的力學傳導機制”，并成功將其應用于外科縫合，研發(fā)出一種叫“Sliputure”的特制縫線。

也是一個結(jié)繩的問題：聯(lián)合團隊用一個巧妙的“活結(jié)”，精準地控制了外科手術(shù)中的“死結(jié)”。

1

“那就打個活結(jié)。”有一天在浙江大學玉泉校區(qū)的實驗室，力學家對外科醫(yī)生說。

在場的三個人都很年輕，楊栩旭是浙江大學航空航天學院交叉力學中心的特聘研究員，陳鳴宇和曹佳勝是浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院普外科的醫(yī)生。

三年以后，他們通過這項跨學科交叉研究，解決了臨床醫(yī)學上十幾年來的一個“死結(jié)”問題。

“活結(jié)”，是楊栩旭提出的一個關(guān)于臨床手術(shù)縫線中“打結(jié)”問題的解決方案——陳醫(yī)生談起外科醫(yī)生做手術(shù)普遍遇到一種困惑，當下大部分外科手術(shù)會采用內(nèi)鏡或者手術(shù)機器人這兩種微創(chuàng)方式進行：醫(yī)生通過機器提供的更加清晰、立體的視野，用自己的手操控機械的“手”，在僅僅幾毫米的創(chuàng)面內(nèi)部環(huán)境，就可以完成一系列復雜的外科手術(shù)操作。但是有一個問題，是幾十年里越來越純熟的手術(shù)機器一直無法勝任的內(nèi)容：在縫合環(huán)節(jié)，如何打出一個松緊力度合適的結(jié)——機器的“手”，始終不太有輕重。

所以在對打結(jié)的力，沒有一種“手感”的情況下，機械設計一般會把機器打結(jié)設置成“偏緊”的模式，以保證手術(shù)切口處不會出現(xiàn)開裂，進而導致出血或者臟器組織滲漏、誘發(fā)嚴重的并發(fā)癥。但其實，縫合的結(jié)扎得“緊”，也會有很大的隱患，比如可能造成局部血供受阻，極易導致組織缺血壞死。

蔡秀軍教授是我國微創(chuàng)外科與智能醫(yī)學領(lǐng)域的開拓者之一，他親身見證并推動著外科手術(shù)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(shù)臺上陷入的“力盲”困境。

“技術(shù)在進步，但外科醫(yī)生的手感卻在不斷消失。”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，精準掌控縫合力度，但代價是患者創(chuàng)傷大、恢復慢。

2

“活結(jié)”的點子，針對的就是外科手術(shù)縫合中的這個“死結(jié)”。

小插曲：起先力學家的“活結(jié)”并沒有被外科醫(yī)生認可，“一點也不High tech（高科技）嘛。”此前業(yè)界考慮解決這個問題的最普遍方案，是在機械臂上加裝傳感器。但是哪怕是高敏的傳感器，判斷、傳輸?shù)臅r間，都跟不上外科手術(shù)需要作出反應的節(jié)奏——手術(shù)中，可能零點幾秒的遲疑，都會影響結(jié)果。

說回來“活結(jié)”這個方案。李鐵風教授說，從專業(yè)角度，力學家馬上想到的邏輯就是：“把力的信息存儲在活結(jié)結(jié)構(gòu)中。然后在使用過程時，將力的信息讀取到死結(jié)上去，就可以解決問題了。”

也就是說，如果把活結(jié)和死結(jié)串在同一條線上，它們就能共享拉力。

我們先做一個思想實驗：繩子上有兩個“螞蚱”；一個是活結(jié)，一個是外科手術(shù)縫合時需要打的死結(jié)。當活結(jié)和死結(jié)是“一條繩索上的螞蚱”——活結(jié)被解開時，會在結(jié)點散開的瞬間產(chǎn)生峰值力；這個力，可以通過繩子直接傳送給另一頭的死結(jié)。

外科醫(yī)生在縫合過程中打的死結(jié)是非常復雜的：針對不同手術(shù)、不同病例，以及不同材質(zhì)的縫合線，哪怕是不同醫(yī)生的操作……很多因素會影響各種死結(jié)的打法——它們的最主要差異，就是在于力度的控制。

所以機器目前還無法掌握這項包含練習、經(jīng)驗值，也帶有天賦性的打死結(jié)技巧。

但是如果只是研究一個單結(jié)點的活結(jié)，就簡單多了：它只涉及到結(jié)起來的力和解開的力。而這兩個力，可以傳送到另一頭，給死結(jié)作為用力的參考和選擇。

這個思想實驗有沒有可能指導現(xiàn)實？因為以人的手打一個單結(jié)點活結(jié)為例，這個打結(jié)力度基本可以覆蓋大部分外科手術(shù)的打結(jié)要求。那么假如活結(jié)的力，能夠被量化出來，不就可以傳導給機器手臂，指導機器在手術(shù)中打死結(jié)了？

如此通過力學的基礎研究，為機器人、生物醫(yī)學等領(lǐng)域的研究和應用提供新原理和新方法發(fā)展，是楊衛(wèi)院士推動的交叉力學研究典型模式。

3

浙江大學交叉力學中心和邵逸夫醫(yī)院的交叉團隊在重復測試中發(fā)現(xiàn)：不管哪一種款式的活結(jié)，只要編結(jié)時拉緊結(jié)點的力（預緊力）一樣，那么解開各種活結(jié)最后那一瞬間的力（峰值力），是差不多的——實驗顯示：預緊力相同的活結(jié)，解開它們的峰值力的一致性有95.4%。

所以能結(jié)起來一個活結(jié)，就能精準地控制解開它的力度。

交叉團隊真的制造出了“一條繩上的螞蚱”，來解決這個外科手術(shù)問題。

他們預制了大量的活結(jié)：通過測試、采集不同年資的外科醫(yī)生縫合打的結(jié)，不同材料、不同式樣活結(jié)的力學指標等數(shù)據(jù)采集、計算機建模，完成了一套“基于活結(jié)的力學傳導機制”程序，制造出來幾百根特制縫線——它們各自帶有一個不同結(jié)法的活結(jié)，解開它們的力也各不相同。

外科手術(shù)前，醫(yī)生只需要根據(jù)手術(shù)需求，選好帶著“一只螞蚱”的繩索。

到縫合階段時，機器手臂就可以用精準的力度制造出“另一只螞蚱”——這一只才是重點：當機器臂拉緊一個死結(jié)，它在把繩子那頭的活結(jié)解散的同時，承接了那個預制活結(jié)輸送給它的力度，它就能精準地打出來一個死結(jié)了。

目前，應用這項技術(shù)的內(nèi)鏡和手術(shù)機器人，可以使相對缺乏經(jīng)驗的外科醫(yī)生在縫合打結(jié)力的精確度上提升121%，接近甚至媲美經(jīng)驗豐富的外科醫(yī)生。

在小鼠腸道修復手術(shù)實驗中，這項技術(shù)使用的打結(jié)力度被精準地控制在大約1.3牛頓——在手術(shù)中，能保持病患小鼠腸道閉合不滲漏，同時又不使腸道因閉合過緊，造成局部血流供應不暢。1.3牛這個力度，相當于我們?nèi)粘Ｏ稻o鞋帶時用的力——而在相同的情境，原來未經(jīng)“活結(jié)”指導的外科手術(shù)機器手，打這個死結(jié)的力大約有2-3牛頓。

基于這種打結(jié)力度的合理調(diào)整，研究者發(fā)現(xiàn)：接受這項技術(shù)做修復手術(shù)的小鼠，術(shù)后血供與組織的愈合進度都得到了改善。

4

確實相對“High tech”，“活結(jié)”的方法在今天絕對算是一種“Low tech”，它甚至過于簡單——就像音樂風格中的Hifi（高保真）和Lowfi（低保真），相比用技術(shù)實現(xiàn)的高品質(zhì)、低噪音的完美聲音，“低保真”的智慧是，用最簡潔、最少技術(shù)含量的方式，制作出具有獨特魅力的音樂。

“活結(jié)”力學傳導機制這種看似原始的解決方案，其實是力學家對事物本質(zhì)的一種分析，并且因為它不需要通過傳感器等電子設備才能作即時判斷，也避免了手術(shù)機器人在缺電或者斷網(wǎng)環(huán)境中無法精準工作的問題。

李鐵風教授說，通過結(jié)構(gòu)進行力控制，可以適用于更廣闊的空間，在不同大小維度、以及各類無電子場景中得到應用。楊衛(wèi)院士認為，這是全新一代力信息存儲的方式，能夠以結(jié)構(gòu)的形式，將力學信號進行傳遞，體現(xiàn)并發(fā)揚了數(shù)智力學的思想。

論文共同第一作者為薛耀庭（浙江大學應用力學研究所交叉力學中心）、曹佳勝（浙江大學應用力學研究所交叉力學中心、浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院）、馮濤（浙江大學應用力學研究所交叉力學中心）、張凱航（浙江大學應用力學研究所交叉力學中心）。

研究獲得浙江省科學技術(shù)廳“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計劃項目，國家自然科學基金委員會等基金支持。

來源：求是風采、潮新聞、高分子科技