浙江大學發表Nature封面論文：一個“活結”解鎖“手感”，幫助外科醫生和手術機器人實現精準力控

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

當你系鞋帶時，輕輕一拉就能感受到那個恰到好處的緊度——這日常動作背后隱藏的力學智慧，如今被浙江大學的研究團隊成功引入高端醫療領域。

2025 年 11 月 26 日，浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院蔡秀軍院士團隊與浙江大學交叉力學中心楊衛院士團隊合作（楊栩旭、陳鳴宇、李鐵風為論文共同通訊作者，薛耀庭、曹佳勝、馮濤、張凱航為論文共同第一作者），在國際頂尖學術期刊Nature上發表了題為：Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation 的研究論文，該論文該被選為當期封面論文。

該研究首次提出了基于活結的力學傳導機制，并將其成功應用于外科手術縫合，開發出了一種名為“Sliputure”（活縫合）的智能縫線，能夠讓外科醫生和手術機器人實現無需電子傳感器的精準力控。

封面解讀：在手術縫合中打結需要精確的力度控制——力度過小會導致縫合傷口裂開滲液，力度過大則會引起傷口腫脹并限制血流。機器人輔助雖能解決該問題，但其復雜的傳感系統在微創手術等空間受限的操作中受到限制。該研究分析簡易活結的力學特性，發現可通過機械傳力方式實現傷口的一致性閉合，且無需電子設備參與。基于此，他們開發出了一種名為“sliputure”（活縫合）的智能縫線，在傳統外科結旁增加一個活結結構，外科醫生照常打外科結后，通過牽拉活結直至其解開，即可將精準的機械力傳遞至外科結使其達到理想力度。實驗數據顯示，該縫線使年輕醫生的打結力精準度提升 121%，同時有效改善了術后供血和組織愈合狀況。

從鞋帶到手術刀：活結的力學密碼

現代機器人和外科手術設備通常依賴復雜的電子傳感器來監測和控制力度。然而，在微創手術等空間受限場景，或偏遠地區等資源匱乏環境下，這些電子設備面臨巨大挑戰。

在這項最新研究中，研究團隊從拓撲學角度重新設計了活結結構，使其能夠像機械密碼一樣精確編碼和傳遞力信息。通過控制打結時的預緊力（Ftying），活結在解開時會釋放一個特定的峰值力（Fpeak），一致性高達 95.4%。

活結如何成為“機械傳感器”

活結的力學過程分為兩個階段：第一階段，隨著外力增加，活結的滑環逐漸收緊，接觸面積和摩擦力平穩增加；第二階段，當力達到臨界點 Fpeak 時，活結發生拓撲變換，迅速解開并釋放張力。

研究團隊通過高速攝影和微 CT 掃描技術捕捉了這一過程的精細動態。實驗顯示，500 個活結的 Fpeak 值集中在 2.945±0.135 N 范圍內，證明了該機制的高度一致性。

手術縫合的革命：“智能縫線”問世

基于這一發現，團隊開發了名為“sliputure”（活縫合）的智能縫線，將活結（slipknot）與傳統縫合線結合。當外科醫生或手術機器人拉緊縫線時，活結在達到預設力度時自動解開，提供觸覺反饋，防止縫合的死結過緊或過松。從而通過一個活結，實現對外科結（surgical knot）的精準控制。

臨床測試結果顯示，使用這種智能縫線后，相對缺乏經驗的年輕外科醫生在縫合打結力的精確度上提升了121%，接近甚至媲美經驗豐富的資深外科醫生。

更重要的是，在大鼠結腸損傷修復模型中，智能縫線組比傳統縫線組提前 2 天達到健康愈合水平，且血供恢復更好。

機器人手術的“視覺力控”

在達芬奇機器人手術中，研究團隊開發了基于視覺的活結檢測系統。當攝像頭識別到活結解開時，系統立即停止機械臂運動，實現自動力控。

這套系統在活體豬結腸損傷修復實驗中表現優異，縫合壓力的一致性顯著優于傳統方法。

從微創手術到資源匱乏地區：廣泛應用前景

該技術的優勢在于，完全不依賴電子設備，成本低廉且易于消毒處理。特別適合在以下場景應用：微創手術中的精細力控制、偏遠地區或戰地醫療、手術培訓教學，以及安全人機交互。

研究團隊還開發了全自動活結生產線，實現了標準化大規模生產。此外，該原理甚至適用于納米尺度——DNA 分子打結與解結過程展示了類似的力學傳遞行為。

機械智能的新篇章

這項研究開啟了“機械智能”的新方向，活結展現的力學智慧可能啟發多個尺度下的打結結構研究。

在未來，這種基于簡單結構的智能傳動機制，或許會成為連接數字世界與物理世界的重要橋梁，讓機械系統真正擁有“手感”。

這項跨越力學、醫學與機器人學的創新研究，不僅解決了實際醫療難題，更為我們展示了一條不同于純電子化的技術發展路徑。在高端醫療設備日益復雜的今天，這種回歸基本原理的簡潔設計，或許正是科技與人文關懷的最佳結合點。

論文鏈接：

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