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11月26日，Nature發表了一項由浙江大學團隊發表的研究。標題極其質樸：Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation（活結機械引導力傳遞與機器人操作）。這項巧妙的研究，利用一種看似簡單的“活結”結構，實現了高精度、可編程的力信號傳遞，為手術機器人、微創手術和資源匱乏地區的醫療操作提供了全新解決方案。

(相關資料圖)

這項論文作者超過30多位，展現了外科手術、微創器械和工程力學跨學科背景的研究成果，通訊作者為浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院蔡秀軍院士、浙江大學交叉力學中心楊衛院士等人。此論文也是Nature當期的封面論文。

一個繩結的現代智慧

活結，這個人類使用了數千年的簡單結構，在我們系鞋帶、打包物品時常常用到。這個看似普通的結，其實蘊含著精密的力學原理——機械傳動。打好的活結，解開時需要的拉力大小取決于結的或松或緊。而結的松緊程度，受控制打結時拉力的大小。

團隊通過精密實驗揭示了滑結的“智能”源于其拓撲結構：在打結時施加預設的力，結的內部會產生接觸、摩擦和彈性變形的復雜相互作用；而當拉緊結的兩端時，結會先緩慢變形，在達到臨界力值后突然彈開，釋放出峰值力信號。這個力的大小高度可控且重復性極強：在500次重復實驗中，一致性高達95.4%。這意味著，活結可以像“機械密碼”一樣，把預設的力信息“寫”進去，再在需要時“讀”出來，從而精準地編碼和傳遞力的信息。

活結，從一個模糊的“感覺”，變成了一個輸入和輸出關系明確、高度可重復的 “力學傳遞函數”。

利用活結作為機械信息傳感單元，實現機器人精準力操控。其核心在于將打結力作為信息“寫入”活結，再通過解結時的峰值力“讀取”信息，最終在微操作、協同作業及重載救援等多種場景中實現對機器人操作的智能反饋與精準控制

讓手術打結“有據可依”

在外科手術中，縫合打結的力度控制一直是個難題。力度太輕，傷口可能裂開；力度太重，又會導致組織缺血壞死。傳統上，醫生只能依靠經驗和手感來判斷，存在很大的不確定性。

研究團隊將活結與外科縫合線結合，發明了“智能縫合線”。使用時，醫生先按常規方法打好手術結，然后拉動附帶的活結。當活結解開時，傳遞到手術結上的力正好等于預設的安全值。

為了驗證效果，團隊邀請了10名年輕醫生和5名臨床經驗超過10年的資深醫生進行測試。結果顯示，使用普通縫合線時，年輕醫生的打結力度波動較大；而使用活結縫合線后，他們的力度精度提升了121%，甚至超過了使用傳統縫合線的資深醫生水平。

從實驗室到手術臺的嚴謹之路

研究的驗證過程同樣令人印象深刻。團隊不僅在實驗室中進行了系統的力學測試，還通過動物實驗證實了其臨床價值。在大鼠結腸修復實驗中，使用智能縫合線的組別展現出多方面優勢：血供恢復更好、愈合速度更快、并發癥更少。特別是在術后粘連方面，智能縫合線組的發生率顯著低于傳統方法。

團隊還成功在豬模型上完成了腹腔鏡和機器人手術實驗，證明了這項技術在微創手術中的實用價值。

讓機器人“看懂”活結

在機器人手術領域，團隊進一步開發了視覺識別系統，讓機器人能夠“看見”活結的狀態。一旦系統檢測到活結解開，就會立即停止機械臂的運動，防止過度拉扯。“這相當于為機器人手術加上了雙重保險，”研究人員形容道，“既有機械層面的力限制，又有視覺層面的實時監控。”

此外，團隊還將活結集成到機械臂的傳動系統中，作為“機械保險絲”。當外力超過安全閾值時，活結會自動解開，中斷動力傳遞，保障人機交互的安全。

機器人手術中縫合線的機械傳遞路徑與智能打結示意。基于實時成像提供的視覺反饋，系統能夠智能地精準控制外科打結的力度

簡單結構實現復雜功能

這項研究提出了一個反直覺的核心概念，用活結這種簡單的結構實現復雜的功能，不僅給出了可量化的科學理論，還解決了真實世界中手術力度控制和機器人安全操作的實際問題，展示了跨學科的深度和從理論到應用的完整路徑。

它用最簡潔的方式，解決了最復雜的問題之一——“力的精準控制”。此論文完美的表現了頂級期刊所青睞的，在簡潔背后蘊含的深刻科學思想與廣泛影響力的突破性工作。

編輯：吳歐

論文信息

發布期刊 Nature

發布時間 2025年11月26日

論文標題 Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09673-w）