力学+医学：浙大“活结”登上《自然》封面
结，在许多自然现象中存在，也是人类生产生活中的一种重要方法。人们日常系鞋带时候就会打上结，解开结；中国古人结绳记事，更蕴含着将力学结构与信息联系的智慧。是否能阐明线绳打结与解开的力学机制，将其和机器人或智能系统关联，来解决外科手术的如下难题：机器人与微创手术能获得高清视野和强稳定性，但却影响了医生直接操作的力控感觉，导致手术缝合难控“轻重”？
浙江大学航空航天学院交叉力学中心杨卫院士、李铁风教授、杨栩旭研究员团队与浙江大学医学院附属邵逸夫医院蔡秀军院士团队协作，联合多个学科开展交叉研究，阐明了“基于活结的力学传导机制”，并创新性提出“Sliputure”——活结智能缝线，成功将其应用于外科缝合，并有望指导其他机器人和智能结构设计。团队于北京时间11月27日，在国际顶级期刊《自然》上发表了这项研究——Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation，并登上杂志封面。浙江大学交叉力学中心薛耀庭，浙江大学医学院附属邵逸夫医院曹佳胜，浙江大学交叉力学中心冯涛、张凯航是论文的共同第一作者，并与多名来自力学、医学、数学、材料、机械、控制等多个不同学科的老师和同学合作。
破解微创手术“打结力度”精准拿捏难题
杨卫院士是我国交叉力学研究思想的提出者，推动通过与多学科的交叉融合，发展力学的新概念、新理论、新方法和新领域。通过力学的基础研究，为机器人、生物医学等领域的研究和应用提供新原理和新方法发展，是交叉力学研究的典型模式。在本次工作中，力学团队与外科医生团队一起协同多个学科的科研工作者共同合作，为这个交叉研究奠定了基础。
蔡秀军院士是我国微创外科与智能医学领域的开拓者之一，他亲身见证并推动着外科手术从大开大合到精准微创的迭代，也深刻感受到当前外科医生在手术台上陷入的“力盲”困境。“技术在进步，但外科医生的手感却在不断消失。”在传统开放手术中，医生的双手能直接感知组织软硬，精准掌控缝合力度，但代价是患者创伤大、恢复慢；而在微创手术中，这种直接的力反馈大大减弱，使得打结力度的特准控制非常依赖医生的个人经验。
术中所打的经典“外科结”，其本身非常依赖于经验丰富主刀医生的精巧施力。临床上普遍使用的“外科结”是一种死结，用于闭合组织。这种结一旦打牢，便很难调整。因此，拉紧手术结所施加力度的大小，直接影响组织愈合，成为影响手术效果的关键因素。常规解决方法是加装力传感器，但因适配复杂、灭菌困难等问题，导致可靠的实时力反馈存在挑战。
在浙大玉泉校区的实验室里，两个团队热烈讨论这个话题。蔡秀军院士团队提出感知力反馈的信息缺失，造成无法精准施加力的“死结”难题，手术机器人缝合还可能将缝线拉断。“那就在旁边先打个活结。”杨栩旭几乎脱口而出。想象一下，当医生拉紧缝线时，活结的结点被解开瞬间所产生的、一个预设好的精准峰值力，会通过这根缝线实时传送给另一头的死结。活结“牺牲”自己、打开的这一刻，就是告诉系统：“力度已到位，死结请在此刻锁定！”李铁风阐明了活结系统的力学机制与逻辑过程：一、做活结过程中把精准的峰值力信息存在结中；二、解开活结过程则可将力的信息传递给串联的系统中；三、力学模型刻画信息和力的传递并接入机器人或人的操纵系统。这个方法和机制可用于缝线力控以及其他需要力传递的不同尺度和形式结构中。
将刹那的“灵感”锻造成可靠的“工具”
从天马行空般“以活结控死结”的灵感迸发，到稳定可靠的外科工具，研究团队解决了多个关键问题。最具挑战性的技术难题在于，活结必须稳定可控且保持力的一致性，也就是确保每一个活结都能在预设的、唯一的、精准的力度下打开。
团队通过高速摄像机和Micro-CT捕捉活结细微的滑动轨迹，通过力学建模、有限元仿真等手段发现了活结蕴藏的有序规律——其打开力与缝线编活结时拉紧结点的力（预紧力）、结环数量、直径、摩擦系数、模量相关。因此仅需要改变上述参数，即可获得对应打开力的活结。实验显示，针对特定的活结，解开它们最后那一瞬间的力（峰值力）是高度一致的。
研究团队通过反复改进，历经大量设计迭代，完成了这套“基于活结的力学传导机制”的方法，并最终成功将这一力学“密码”稳定地“编织”进外科缝线中，研发出“Sliputure（活结智能缝线）”，实现了“活结”对“死结”的准确调控。比如，针对动物肠道修复手术实验，使得吻合肠道既不渗漏，又不撕裂。从开放大鼠肠道修复，到腹腔镜下活体猪肠道修复，再到机器人的操作，都获得了很好效果。
“Sliputure（活结智能缝线）”在开放手术中使用，也能适配腹腔镜手术和机器人手术。此外，通过将视觉反馈接入手术机器人系统，检测到活结打开的视觉信号，立即停止器械移动，实现毫秒级响应，避免过度拉伸，实现“感知-反馈-制动”的闭环控制。应用这项技术的内镜和手术机器人，能使相对缺乏经验的医生在打结力的一致性和准确性上大幅提升，接近经验丰富的医生。该研究为机器人装上了“神经末梢”，解决了手术中打结存在的“力盲”难点，让外科操作力控未来实现“可量化”和“可感知”。
回望此次科研历程，正是浙江大学“医工交叉、临床驱动”创新生态的生动缩影。“Sliputure”的成功，验证了交叉力学研究中的“数智力学”和“Mechano-Intelligence”范式。目前，研究团队正在构建针对不同组织的力值数据库，致力于开发适用于各类机器人手术及消化道、心血管、神经外科等高精度缝合领域的系列产品。
“活结”力学传导机制这种看似原始的解决方案，其实是研究者们对其结构蕴含本质规律的泛化应用，不需要通过传感等电子设备才能作即时判断，就避免了手术操作或机器人在缺电或者断网环境中无法精准工作的问题。这意味着，这种不依赖复杂电子器件构建操作逻辑的方法原理，不仅能满足常规手术中的深腔环境，还有望在其他极端条件（深海、深空、深地等特种作业）和极限尺寸研究（极微观系统构造或调控）中展现出应用前景。
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