浙江大學，打結，發了篇Nature！

在從日常系鞋帶到精密手術再到先進機器人操作的世界里，一個被忽視已久的問題正在悄悄限制著技術的發展：機械力如何被精準傳遞和控制?，F代醫療器械、機器人系統普遍依賴電子傳感與反饋，但在空間受限的微創手術、資源匱乏的野外救援等場景中，電子設備往往難以部署、成本高且存在可靠性隱患 。尤其在外科手術中，醫生通常只能依靠“感覺”和組織變形來判斷縫合力度，缺乏量化依據，而縫線過緊會導致缺血壞死、過松又可能造成滲漏，這一長期困境迫切需要全新的解決思路。

在此，浙江大學楊衛院士、蔡秀軍教授、楊栩旭副研究員、陳鳴宇副研究員和李鐵風教授合作，提出了一個令人意想不到的答案：利用“滑結”（slipknot）來編碼與傳遞力。研究顯示，通過精確設計與預拉緊，一個普通的滑結竟能以超過 95% 的一致性輸出機械信號，使得復雜操作無需電子傳感器也能實現智能化。這種“打結傳遞信息”的策略不僅幫助年輕外科醫生將縫合精度提升 121%，還能改善動物手術后的組織愈合；同時，它還能賦能機器人，在無力傳感器的情況下實現實時、可靠的力控制 。一個小小的結，被團隊變成了跨越人類與機器的“機械智能接口”。相關成果以“Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation”為題發表在《Nature》上，Yaoting Xue, Jiasheng Cao, Tao Feng, Kaihang Zhang為共同第一作者。

一個會“說話”的結：機械信息的寫入與讀取

在圖1a中，作者展示了由多個滑結串聯構成的機械信息傳輸示意：每一個結都像一個“力字符”，在被拉開時釋放一個獨特的峰值信號，機器人手臂因此能像讀光柵一樣獲取逐次的機械信息 。圖1b更直觀演示了寫入與讀取的全過程：首先用設定好的力 Ftying 打結（寫入），隨后通過再次拉扯讓結按拓撲保持移動并最終打開（讀取）。在這個過程中，接觸界面、摩擦系數與彈性變形共同塑造了最終的 Fpeak。圖1c–e中，滑結的穩定性與一致性被分別在微操作、協作機械臂和重載實驗中驗證。無論是毫米尺度的微操作（圖1c）還是數十公斤的救援場景（圖1e），滑結都能精準地傳遞力信號，仿佛有了一個極其可靠的“機械密碼”。機械系統因此獲得了天然的力限制與力反饋能力，不依賴任何電子器件。

圖1： slipknot 寫入/讀取力信息的原理與多場景驗證

“滑結”的力學秘密：從應變硬化到拓撲突變

圖2a–c用高速攝影與 micro-CT 清晰記錄了 滑結被拉開前的逐幀變化：隨著外力增加，結的滑動圈逐漸收緊、應力集中加劇，最終在臨界點發生拓撲的 Reidemeister R1 變換（圖2a 中間）。這一瞬間正是 Fpeak 產生的物理來源。圖2d展示了實驗與模型高度吻合的力-位移曲線：長時間的穩定拉伸后，力突然上升到峰值，緊接著快速下降，仿佛“啪”地一聲彈開。圖2e進一步展示了 500 次重復測試中 Fpeak 的高度一致性（均值約 2.945 N，標準差僅 0.135 N），這是滑結成為“力單位”的關鍵。圖2f–i 從理論模型、結圈數量、材料直徑、存放時間和拉伸速度等方面驗證了 slipknot 的可調性和穩定性。通過改變 滑動環（knot loop）數或材料直徑，Fpeak 可被像調阻值一樣精準設定；即便放置 32 天或在不同速度下拉開，滑結仍保持穩定輸出。這意味著，一個滑結就是一枚可編程、可儲存、可長時間保存的“力脈沖發生器”。

圖2：滑結的力學演化、拓撲突變與 Fpeak 穩定性來源

把滑結用到手術上：年輕醫生精度提升 121%

圖3a–c 提出了革命性的概念滑結縫線（sliputure）：在普通縫線末端串聯一個滑結，使其在被拉開時輸出預設的 Fpeak，強制確保外科“打結力”處于安全范圍。對于外科醫生來說仍然是原有的打結方式，只是最后的拉緊步驟被 slipknot 自動校準力值。圖3d的實測結果極其醒目：年輕醫生在使用普通縫線時力控制離散度很大，而換成滑結縫線后，其打結力精度不僅大幅提升，還達到了與資深外科醫生幾乎相同的水平，提升幅度高達 121%。而資深醫生使用滑結縫線后則保持穩定，不需要額外學習。圖3e–l 展示了 滑結縫線在動物模型中的實際效果。根據圖3f，研究團隊通過實驗確定了大鼠結腸修復的最佳縫合力區間（0.32–2.28 N），并將 Fpeak 定為 1.3 N。圖3g 的破裂壓力結果顯示，使用 sliputure 修復的結腸在術后第 5 天便達到健康水平，比傳統縫線快整整兩天。圖3h–i 的 LSCI 血流成像顯示，滑結縫線縫合后組織血供恢復更好，滲漏與粘連也明顯減少（圖3j–l）。在腹腔鏡實際操作中，滑結縫線依然能清晰提供力信號，幫助醫生避免過度拉扯。

圖3： 滑結縫線提高手術縫合精度并改善動物組織愈合的實驗結果

讓機器人也聽得懂“結的語言”

在圖4a，研究團隊構建了一個視覺檢測系統，能實時識別滑結的幾何變化并判斷結是否打開。也就是說，機器人無需力傳感器，只要“看到”結彈開，就能瞬間停止動作。圖4b–c 的豬結腸機器人縫合實驗顯示：使用滑結縫線的縫合效果平整、無擠壓，相比之下普通縫合常出現組織鼓起和變形。圖4d–e 展示了機器人在檢測到滑結打開后立即制動的自動剎車系統，使得機器人具備“天生的安全限制器”。更令人驚喜的是，圖4g–h 中，研究團隊還把滑結植入到肌腱驅動機器人手臂的拉索中，一旦外力過大，結會自動打開，相當于機械保險絲，讓機器人在與人類互動或意外碰撞時具備天然的“柔順安全機制”。

圖4： 結合機器視覺與機械臂，實現機器人力控制與安全防護的系統展示

總結與展望

這項工作從一個看似普通的滑結出發，將其發展為一種可量化、可編程、跨場景的機械智能傳輸機制。它不依賴電子元件，不需要復雜硬件，成本極低卻能提供高度精確的力控制?；Y縫線讓手術更安全、更一致，也為經驗不足的醫生提供了即時的力校準工具；在機器人領域，slipknot 則成為可嵌入可視系統、驅動系統的天然“力限位單元”，將自動化從“看得見”推進到“摸得準”。未來，這種基于結的機械智能還可能被推廣到軟體機器人、極端環境作業、教育培訓乃至可穿戴設備中。甚至在納米尺度，DNA 的滑結行為也預示著跨維度的應用潛力。一個小小的結，正在悄然開啟機械信息傳遞的新紀元。