浙大最新《Nature》 封面文章！打個活結

老子在《道德經》中描述理想國家的面貌，是“小國寡民，使有什伯之器而不用……使民復結繩而用之。”即使發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繩來記事的自然純樸狀態。

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教授團隊，聯合浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院蔡秀軍教授團隊，共同在《自然》（Nature）上發表論文《通過活結結構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，首次提出“基于活結的力學傳導機制”，并成功將其應用于外科縫合，研發出一種叫“Sliputure”的特制縫線。

也是一個結繩的問題：聯合團隊用一個巧妙的“活結”，精準地控制了外科手術中的“死結”。

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“那就打個活結?！庇幸惶煸谡憬髮W玉泉校區的實驗室，力學家對外科醫生說。

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學院附屬邵逸夫醫院普外科的醫生。

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

“活結”，是楊栩旭提出的一個關于臨床手術縫線中“打結”問題的解決方案——陳醫生談起外科醫生做手術普遍遇到一種困惑，當下大部分外科手術會采用內鏡或者手術機器人這兩種微創方式進行：醫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”，在僅僅幾毫米的創面內部環境，就可以完成一系列復雜的外科手術操作。但是有一個問題，是幾十年里越來越純熟的手術機器一直無法勝任的內容：在縫合環節，如何打出一個松緊力度合適的結——機器的“手”，始終不太有輕重。

所以在對打結的力，沒有一種“手感”的情況下，機械設計一般會把機器打結設置成“偏緊”的模式，以保證手術切口處不會出現開裂，進而導致出血或者臟器組織滲漏、誘發嚴重的并發癥。但其實，縫合的結扎得“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外科與智能醫學領域的開拓者之一，他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。

“技術在進步，但外科醫生的手感卻在不斷消失。”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。

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“活結”的點子，針對的就是外科手術縫合中的這個“死結”。

小插曲：起先力學家的“活結”并沒有被外科醫生認可，“一點也不High tech（高科技）嘛。”此前業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、傳輸的時間，都跟不上外科手術需要作出反應的節奏——手術中，可能零點幾秒的遲疑，都會影響結果。

說回來“活結”這個方案。李鐵風教授說，從專業角度，力學家馬上想到的邏輯就是：“把力的信息存儲在活結結構中。然后在使用過程時，將力的信息讀取到死結上去，就可以解決問題了?！?/strong>

也就是說，如果把活結和死結串在同一條線上，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，一個是外科手術縫合時需要打的死結。當活結和死結是“一條繩索上的螞蚱”——活結被解開時，會在結點散開的瞬間產生峰值力；這個力，可以通過繩子直接傳送給另一頭的死結。

外科醫生在縫合過程中打的死結是非常復雜的：針對不同手術、不同病例，以及不同材質的縫合線，哪怕是不同醫生的操作……很多因素會影響各種死結的打法——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、經驗值，也帶有天賦性的打死結技巧。

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

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

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

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

所以能結起來一個活結，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問題。

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

外科手術前，醫生只需要根據手術需求，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，它在把繩子那頭的活結解散的同時，承接了那個預制活結輸送給它的力度，它就能精準地打出來一個死結了。

目前，應用這項技術的內鏡和手術機器人，可以使相對缺乏經驗的外科醫生在縫合打結力的精確度上提升121%，接近甚至媲美經驗豐富的外科醫生。

在小鼠腸道修復手術實驗中，這項技術使用的打結力度被精準地控制在大約1.3牛頓——在手術中，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，相當于我們日常系緊鞋帶時用的力——而在相同的情境，原來未經“活結”指導的外科手術機器手，打這個死結的力大約有2-3牛頓。

基于這種打結力度的合理調整，研究者發現：接受這項技術做修復手術的小鼠，術后血供與組織的愈合進度都得到了改善。

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確實相對“High tech”，“活結”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），相比用技術實現的高品質、低噪音的完美聲音，“低保真”的智慧是，用最簡潔、最少技術含量的方式，制作出具有獨特魅力的音樂。

“活結”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，也避免了手術機器人在缺電或者斷網環境中無法精準工作的問題。

李鐵風教授說，通過結構進行力控制，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。楊衛院士認為，這是全新一代力信息存儲的方式，能夠以結構的形式，將力學信號進行傳遞，體現并發揚了數智力學的思想。

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、浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院）、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廳“尖兵”“領雁”研發攻關計劃項目，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