一个“活结”的智慧：浙大Nature发表封面论文，解决微创手术打结难题｜光锥读论文

11月26日，Nature发表了一项由浙江大学团队发表的研究。标题极其质朴：Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation（活结机械引导力传递与机器人操作）。这项巧妙的研究，利用一种看似简单的“活结”结构，实现了高精度、可编程的力信号传递，为手术机器人、微创手术和资源匮乏地区的医疗操作提供了全新解决方案。

这项论文作者超过30多位，展现了外科手术、微创器械和工程力学跨学科背景的研究成果，通讯作者为浙江大学医学院附属邵逸夫医院蔡秀军院士、浙江大学交叉力学中心杨卫院士等人。此论文也是Nature当期的封面论文。

一个绳结的现代智慧

活结，这个人类使用了数千年的简单结构，在我们系鞋带、打包物品时常常用到。这个看似普通的结，其实蕴含着精密的力学原理——机械传动。打好的活结，解开时需要的拉力大小取决于结的或松或紧。而结的松紧程度，受控制打结时拉力的大小。

团队通过精密实验揭示了滑结的“智能”源于其拓扑结构：在打结时施加预设的力，结的内部会产生接触、摩擦和弹性变形的复杂相互作用；而当拉紧结的两端时，结会先缓慢变形，在达到临界力值后突然弹开，释放出峰值力信号。这个力的大小高度可控且重复性极强：在500次重复实验中，一致性高达95.4%。这意味着，活结可以像“机械密码”一样，把预设的力信息“写”进去，再在需要时“读”出来，从而精准地编码和传递力的信息。

活结，从一个模糊的“感觉”，变成了一个输入和输出关系明确、高度可重复的 “力学传递函数”。

利用活结作为机械信息传感单元，实现机器人精准力操控。其核心在于将打结力作为信息“写入”活结，再通过解结时的峰值力“读取”信息，最终在微操作、协同作业及重载救援等多种场景中实现对机器人操作的智能反馈与精准控制

让手术打结“有据可依”

在外科手术中，缝合打结的力度控制一直是个难题。力度太轻，伤口可能裂开；力度太重，又会导致组织缺血坏死。传统上，医生只能依靠经验和手感来判断，存在很大的不确定性。

研究团队将活结与外科缝合线结合，发明了“智能缝合线”。使用时，医生先按常规方法打好手术结，然后拉动附带的活结。当活结解开时，传递到手术结上的力正好等于预设的安全值。

为了验证效果，团队邀请了10名年轻医生和5名临床经验超过10年的资深医生进行测试。结果显示，使用普通缝合线时，年轻医生的打结力度波动较大；而使用活结缝合线后，他们的力度精度提升了121%，甚至超过了使用传统缝合线的资深医生水平。

从实验室到手术台的严谨之路

研究的验证过程同样令人印象深刻。团队不仅在实验室中进行了系统的力学测试，还通过动物实验证实了其临床价值。在大鼠结肠修复实验中，使用智能缝合线的组别展现出多方面优势：血供恢复更好、愈合速度更快、并发症更少。特别是在术后粘连方面，智能缝合线组的发生率显著低于传统方法。

团队还成功在猪模型上完成了腹腔镜和机器人手术实验，证明了这项技术在微创手术中的实用价值。

让机器人“看懂”活结

在机器人手术领域，团队进一步开发了视觉识别系统，让机器人能够“看见”活结的状态。一旦系统检测到活结解开，就会立即停止机械臂的运动，防止过度拉扯。“这相当于为机器人手术加上了双重保险，”研究人员形容道，“既有机械层面的力限制，又有视觉层面的实时监控。”

此外，团队还将活结集成到机械臂的传动系统中，作为“机械保险丝”。当外力超过安全阈值时，活结会自动解开，中断动力传递，保障人机交互的安全。

机器人手术中缝合线的机械传递路径与智能打结示意。基于实时成像提供的视觉反馈，系统能够智能地精准控制外科打结的力度

简单结构实现复杂功能

这项研究提出了一个反直觉的核心概念，用活结这种简单的结构实现复杂的功能，不仅给出了可量化的科学理论，还解决了真实世界中手术力度控制和机器人安全操作的实际问题，展示了跨学科的深度和从理论到应用的完整路径。

它用最简洁的方式，解决了最复杂的问题之一——“力的精准控制”。此论文完美的表现了顶级期刊所青睐的，在简洁背后蕴含的深刻科学思想与广泛影响力的突破性工作。

编辑：吴欧

论文信息

发布期刊 Nature

发布时间 2025年11月26日

论文标题 Slipknot-gauged mechanical transmission and robotic operation

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