浙大最新《Nature》 封面文章！打个活结

老子在《道德经》中描述理想国家的面貌，是“小国寡民，使有什伯之器而不用……使民复结绳而用之。”即使发明了各种高效的器具，百姓也并不使用。治大国如烹小鲜，人们就像回归到如远古时代用结绳来记事的自然纯朴状态。

在人工智能时代，这种返回古老智慧的哲思，仍然被科学家用来解决最复杂的难题。

论文链接：

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

北京时间11月27日，浙江大学交叉力学中心杨卫教授团队，联合浙江大学医学院附属邵逸夫医院蔡秀军教授团队，共同在《自然》（Nature）上发表论文《通过活结结构导引力学信息传输与机器人操作》（Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation），并登上杂志封面。

交叉团队历时近三年跨学科攻关，首次提出“基于活结的力学传导机制”，并成功将其应用于外科缝合，研发出一种叫“Sliputure”的特制缝线。

也是一个结绳的问题：联合团队用一个巧妙的“活结”，精准地控制了外科手术中的“死结”。

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“那就打个活结。”有一天在浙江大学玉泉校区的实验室，力学家对外科医生说。

在场的三个人都很年轻，杨栩旭是浙江大学航空航天学院交叉力学中心的特聘研究员，陈鸣宇和曹佳胜是浙江大学医学院附属邵逸夫医院普外科的医生。

三年以后，他们通过这项跨学科交叉研究，解决了临床医学上十几年来的一个“死结”问题。

“活结”，是杨栩旭提出的一个关于临床手术缝线中“打结”问题的解决方案——陈医生谈起外科医生做手术普遍遇到一种困惑，当下大部分外科手术会采用内镜或者手术机器人这两种微创方式进行：医生通过机器提供的更加清晰、立体的视野，用自己的手操控机械的“手”，在仅仅几毫米的创面内部环境，就可以完成一系列复杂的外科手术操作。但是有一个问题，是几十年里越来越纯熟的手术机器一直无法胜任的内容：在缝合环节，如何打出一个松紧力度合适的结——机器的“手”，始终不太有轻重。

所以在对打结的力，没有一种“手感”的情况下，机械设计一般会把机器打结设置成“偏紧”的模式，以保证手术切口处不会出现开裂，进而导致出血或者脏器组织渗漏、诱发严重的并发症。但其实，缝合的结扎得“紧”，也会有很大的隐患，比如可能造成局部血供受阻，极易导致组织缺血坏死。

蔡秀军教授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。

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“活结”的点子，针对的就是外科手术缝合中的这个“死结”。

小插曲：起先力学家的“活结”并没有被外科医生认可，“一点也不High tech（高科技）嘛。”此前业界考虑解决这个问题的最普遍方案，是在机械臂上加装传感器。但是哪怕是高敏的传感器，判断、传输的时间，都跟不上外科手术需要作出反应的节奏——手术中，可能零点几秒的迟疑，都会影响结果。

说回来“活结”这个方案。李铁风教授说，从专业角度，力学家马上想到的逻辑就是：“把力的信息存储在活结结构中。然后在使用过程时，将力的信息读取到死结上去，就可以解决问题了。”

也就是说，如果把活结和死结串在同一条线上，它们就能共享拉力。

我们先做一个思想实验：绳子上有两个“蚂蚱”；一个是活结，一个是外科手术缝合时需要打的死结。当活结和死结是“一条绳索上的蚂蚱”——活结被解开时，会在结点散开的瞬间产生峰值力；这个力，可以通过绳子直接传送给另一头的死结。

外科医生在缝合过程中打的死结是非常复杂的：针对不同手术、不同病例，以及不同材质的缝合线，哪怕是不同医生的操作……很多因素会影响各种死结的打法——它们的最主要差异，就是在于力度的控制。

所以机器目前还无法掌握这项包含练习、经验值，也带有天赋性的打死结技巧。

但是如果只是研究一个单结点的活结，就简单多了：它只涉及到结起来的力和解开的力。而这两个力，可以传送到另一头，给死结作为用力的参考和选择。

这个思想实验有没有可能指导现实？因为以人的手打一个单结点活结为例，这个打结力度基本可以覆盖大部分外科手术的打结要求。那么假如活结的力，能够被量化出来，不就可以传导给机器手臂，指导机器在手术中打死结了？

如此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，是杨卫院士推动的交叉力学研究典型模式。

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浙江大学交叉力学中心和邵逸夫医院的交叉团队在重复测试中发现：不管哪一种款式的活结，只要编结时拉紧结点的力（预紧力）一样，那么解开各种活结最后那一瞬间的力（峰值力），是差不多的——实验显示：预紧力相同的活结，解开它们的峰值力的一致性有95.4%。

所以能结起来一个活结，就能精准地控制解开它的力度。

交叉团队真的制造出了“一条绳上的蚂蚱”，来解决这个外科手术问题。

他们预制了大量的活结：通过测试、采集不同年资的外科医生缝合打的结，不同材料、不同式样活结的力学指标等数据采集、计算机建模，完成了一套“基于活结的力学传导机制”程序，制造出来几百根特制缝线——它们各自带有一个不同结法的活结，解开它们的力也各不相同。

外科手术前，医生只需要根据手术需求，选好带着“一只蚂蚱”的绳索。

到缝合阶段时，机器手臂就可以用精准的力度制造出“另一只蚂蚱”——这一只才是重点：当机器臂拉紧一个死结，它在把绳子那头的活结解散的同时，承接了那个预制活结输送给它的力度，它就能精准地打出来一个死结了。

目前，应用这项技术的内镜和手术机器人，可以使相对缺乏经验的外科医生在缝合打结力的精确度上提升121%，接近甚至媲美经验丰富的外科医生。

在小鼠肠道修复手术实验中，这项技术使用的打结力度被精准地控制在大约1.3牛顿——在手术中，能保持病患小鼠肠道闭合不渗漏，同时又不使肠道因闭合过紧，造成局部血流供应不畅。1.3牛这个力度，相当于我们日常系紧鞋带时用的力——而在相同的情境，原来未经“活结”指导的外科手术机器手，打这个死结的力大约有2-3牛顿。

基于这种打结力度的合理调整，研究者发现：接受这项技术做修复手术的小鼠，术后血供与组织的愈合进度都得到了改善。

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确实相对“High tech”，“活结”的方法在今天绝对算是一种“Low tech”，它甚至过于简单——就像音乐风格中的Hifi（高保真）和Lowfi（低保真），相比用技术实现的高品质、低噪音的完美声音，“低保真”的智慧是，用最简洁、最少技术含量的方式，制作出具有独特魅力的音乐。

“活结”力学传导机制这种看似原始的解决方案，其实是力学家对事物本质的一种分析，并且因为它不需要通过传感器等电子设备才能作即时判断，也避免了手术机器人在缺电或者断网环境中无法精准工作的问题。

李铁风教授说，通过结构进行力控制，可以适用于更广阔的空间，在不同大小维度、以及各类无电子场景中得到应用。杨卫院士认为，这是全新一代力信息存储的方式，能够以结构的形式，将力学信号进行传递，体现并发扬了数智力学的思想。

论文共同第一作者为薛耀庭（浙江大学应用力学研究所交叉力学中心）、曹佳胜（浙江大学应用力学研究所交叉力学中心、浙江大学医学院附属邵逸夫医院）、冯涛（浙江大学应用力学研究所交叉力学中心）、张凯航（浙江大学应用力学研究所交叉力学中心）。

研究获得浙江省科学技术厅“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目，国家自然科学基金委员会等基金支持。

来源：求是风采、潮新闻、高分子科技