“巧手”这样炼成

来源：科技日报

原标题：“巧手”这样炼成

图为中南大学湘雅医院医学专家走进中国科学院宁波材料技术与工程研究所，探讨如何让机器人获得外科医生的“感知力”。受访单位供图

具有优良生物兼容性和高硬度特点的钛合金条，被广泛应用于骨科手术中。长期以来，其弯折成形一直靠医生在手术过程中手工完成，耗时长、难度大。

如今，能够替代这一手工流程的机器人，经长沙、宁波、上海三地孵化成功问世。今年5月，全球首创医用植入物等材成形机器人成果转化落地，从专用弯折臂等核心设备，到操控软件，均由我国研发团队自主研制。它可根据个性化定制要求，实现钛合金精准成形，误差小于1毫米。

“我们历时十载、辗转‘三迁’，让机器人练就一双‘巧手’。”中南大学湘雅医院口腔医学中心主任蒋灿华告诉科技日报记者，他们携手中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称“宁波材料所”）等多家单位，组建研发团队矢志攻关，最终实现这一医学装备的“人无我有”。

模仿人手，勇闯“无人区”

骨科手术用到的钛合金条，要求成本低、精度高、成品快。为了走出“手工作坊”模式，此前，蒋灿华与团队做过很多尝试，效果一直差强人意。

“我们一开始没想到会这么难。”宁波材料所研究员左国坤回忆，他们与湘雅医院远程沟通后，很快给出第一版草图。在工程师们看来，只要控制好方向，再让马力足够的电机施加弯折力，让钛合金精准成形并不难。

看到草图后，湘雅医院副教授梁烨却高兴不起来：“设计虽然考虑了不同维度的形变路径，但是无法‘复刻’扭拧、弯曲、挤压等复杂手法，钛合金回弹的问题也没能解决，远达不到要求。”

多次电话沟通未果，蒋灿华意识到问题的根源——由于缺少手术场景，工程师不清楚手术中医生究竟是怎么做的，必须让工程师来现场观摩！

于是，团队开始了“第一迁”，湘雅医院的口腔数字重建工作室里多了几位来自宁波的工程师。

观摩了医生的现场示范后，宁波材料所高级工程师张佳楫明白了钛合金条机器成形为什么是“无人区”。这一过程不仅费力，力道还必须恰到好处。例如，为了防止钛合金条变形后回弹，往往要在某个位置多用点力，但是这个力一旦用过了，又会导致钛合金条其他部位翘起来。而多次尝试的话，它又会被折断。

“模仿人手是成功的关键。”张佳楫说，只有让机器人拥有像人手般的灵活度和自由度，才能精准“复刻”医生的手法。为此，团队几易设计稿，不断优化设备结构，确保机器人能够完成复杂施力控制，同时尽可能让机器人小型化。

设计稿经反复打磨逐渐成熟时，制造机器人的元器件又问题频出。“许多结构件是精密定制的，（我们）曾经遇到过委托加工10个件，回来组装时却只有1个能用的情况。”梁烨说。

为确保元器件合格，团队多方寻找企业“取经”，最终在宁波蓝野医疗器械有限公司的帮助下，对机器人部分核心组件开展质控测量，完成了机器人的设计安装。

至此，世界首台七轴五自由度等材成形机器人初露端倪。

实时仿真，培养“感知力”

由于钛合金条会回弹，要让机器人精准施加一个达到目标形变的力，还需要进行复杂的建模。

“要构建一个涵盖各个方位回弹系数的算法非常困难。”梁烨说，材料的不同部位、不同角度回弹幅度各不相同，多个空间、角度叠加后的回弹更难以计算和预估。

此外，钛合金植入物是一个非规则图形，其形变参数难以量化，因此很难给机器人下达明确的工作指令。一时间，研发工作再次进入瓶颈期。

“我一直在琢磨，为什么资深医生会比新手医生完成得更好。”梁烨试图从自己的经验中找答案。他总结出，自己在操作时对施加力是有感知的——施力的大小与快慢会根据植入物的贴合度实时变化。

“不能给机器人设定固定用力方案，而是需要让它具备与医生相似的感知能力。”梁烨笑道，这就犹如给机器人注入能够自主思考的“灵魂”。

能不能将机器人算法中的解算目标从形变改为力量感知呢？梁烨把这个想法和团队分享后，大家反复研讨，制定出初步方案：通过力和电流的感知，结合算法及模型的构建，让机器人获得医生的“感知力”。

为了快速集结医生、机械工程师、算法工程师等跨学科力量，在湘雅医院的支持下，梁烨暂时放下长沙的临床工作，开启了团队的“第二迁”，转战宁波。

“我们给机器人设计了一整套力量感知装置，通过监测电机、机械臂的力和电流等参数，预估机器人能够达成的形变效果，以实现控制。”左国坤解释，传感器会在施力过程中实时回传电信号，描述植入物在贴合时遇到的障碍或阻力，机器人则根据回传信号的强弱仿真计算，调整用力角度与大小。

为了让耗材一次成形，团队还为机器人开发了元胞孪生辅助技术，让机器人对钛合金条每一个点的轨迹进行模拟、评估，规划最优弯折路径，实现植入物等材成形的数字化、智能化。

获取感知能力后，临床验证是成败的关键。“我们使用包含机器人在内的数字化诊疗技术，先后在多地的千余台手术中进行了临床应用，事实证明它不但可以，而且还很行！”梁烨告诉记者。

“化茧成蝶”，走进手术室

科研样机的每个螺丝、每个零部件、每行代码，都是经工程师之手研制而成。要想让机器人成果转化落地，就必须让生产融入工业化流水线。

为了让机器人走出实验室，走向全国各地手术室，蒋灿华带着团队四处奔波，在不同展览展会上寻找合作企业。回忆转化之初，蒋灿华深有感触：“这一步走得不容易。”

历时数月的寻找，从追着企业跑，到审慎挑选合作企业，他们终于给成果找到了“好婆家”。2024年10月，团队与位于上海的华荣科技股份有限公司（以下简称“华荣股份”）达成意向，决定先合作完成中试样机生产，再进行签约。作为转化项目负责人，梁烨带着机器人一起踏上“第三迁”——前往上海完成中试。

一个寒冬的深夜，机器人2.0的硬件控制终于调通，大家打算将生产线上的夹头装上，运行一遍就回去休息。“安装时突然发现夹头无法就位，我们一时也找不出哪个环节出了差错。”梁烨当即拍下照片发到工作群里，想着第二天和企业方一起讨论解决。

令梁烨没想到的是，第二天清早他刚到现场，就看见桌上已经整齐摆放了8个不同的夹头，每个都从不同角度，对可能出现的问题分别进行故障排查。“我们真正见识到了企业的生产效率！”梁烨感叹道，过去一等就是数月的特制零部件，在华荣股份只需几个小时就能生产出来。

“设备制造业的突破式创新要落地，离不开产学研的‘拧绳’式合作。”华荣股份总经理李江说，实验室阶段的任务是让创新“从无到有”，而在产品化阶段，企业要做的就是让创新“从有到精”。

仅3个月，机器人2.0便顺利下线。产品化的它比第一代效率更高、成本更低，也更符合市场预期。目前团队已与宁波慈北医疗器械有限公司开展战略合作，共同推动机器人应用到更多手术中。

“在门类齐全、产业链完整的中国制造业支撑下，这台机器人的生产与应用之路将越走越宽。”蒋灿华告诉记者，团队仍在不断优化设计、完善功能、迭代版本，以期形成引领全球的数字化颌面精准整复的“中国方案”。（记者 张佳星）