用“打结”原理实现机械传动与机器人操控

机械传动是各类与力相关活动的核心，涵盖从日常任务到先进手术及机器人操作等多个领域。尽管电子测力装置十分重要，但在空间受限（如微创手术）或资源匮乏（如偏远无电网操作）环境中仍面临挑战。在外科实践中，张力的精确测量往往难以实现，因为传感系统通常不便于部署。因此，外科医生通常依靠组织变形程度的视觉估计，而非定量评估。为应对这些挑战，本文提出一种基于活结的机械传动策略，可实现对人类和机器人系统的智能控制。尽管在拓扑结构上与普通绳结等效，但活结具有独特的几何和力学特性。具体而言，在其使用过程中，一系列峰值力信号（记为F_peak）可传递至机械臂和人手。每个活结通过打结过程制作：对绳索施加拉力直至达到预设值（记为F_tying）。该预设拉力会影响活结系统的接触、摩擦和弹性变形。为传递编码的力，对绳索自由端施加一对力，这会引发保拓扑运动并最终使活结打开。通过分析活结的弹性变形，可量化其打开过程中的峰值力F_peak。这种基于活结的机械传动策略的稳健性和一致性已在一系列微型机器人操作、工业机械臂操控以及重载机器人作业中得到验证。

我们对带有典型活结的细丝进行了拉伸测试，该活结通过7.500 N的预紧力（F_tying）制作而成。利用高速摄影和显微计算机断层扫描（micro-CT）技术捕捉绳结形态的演变过程。活结的初始结构包括两个自由端、一个绳结环和一个滑环。随着施加在自由端的外力增大，滑环长度逐渐缩短。力-位移曲线显示，初始阶段拉力稳定；随后拉力开始上升，这是由滑环的绞拧度增加和应力集中导致的。micro-CT扫描结果显示，滑环与绳结环之间的接触面积也随之增大。当达到2.931 N的临界力（F_peak）时，滑环出现即将从绳结环中滑脱的迹象，同时伴随绳结的拓扑雷德梅斯特移动。活结完全打开后，自由端的拉力迅速下降，表现为载荷突然降低和滑环内应力释放。对500个活结的拉伸测试显示，F_peak值为2.945±0.135 N，表明基于活结的机械传动具有高度一致性（95.4%）。

基于实验和模拟结果，尤其是雷德梅斯特移动的重要性，我们将活结打开过程分为两个阶段：阶段1和阶段2。阶段1为雷德梅斯特移动前的释放过程，此时拉力因接触、摩擦和弹性的共同作用而增大。阶段2因额外的雷德梅斯特移动产生分岔，导致F_peak出现及随后拉力进一步下降。相应力-位移曲线的交点位于F_peak之前，与实验和模拟结果吻合良好。

制作活结时，增大预紧力F_tying和绳结环数量会增加滑环与绳结环之间的接触面积，从而提供一种调节F_peak的方法。在相同F_tying下，使用不同直径的单丝也可改变F_peak。不同材料和结构的活结在不同液体介质中浸泡时，摩擦系数也不同，这些因素均会影响F_peak值，与模型预测一致。值得注意的是，活结在储存32天后仍能保持性能，表明其从制作到实际使用具有长期力学稳定性。动态行为分析显示，在较宽的测试速度范围内，F_peak值几乎恒定，这表明活结可可靠地用于人工或机械驱动的操作。

打结是手术中关闭切口的金标准操作，需要外科医生的灵巧性、专业知识和经验相结合。活结提供的精确且稳健的机械传动，满足了手术对准确性和一致性的要求。例如，在胃肠手术中，维持合适的缝合力具有挑战性。胃肠手术中手术结失效可能导致吻合口漏，死亡率可增加30%以上。此外，过紧的结会导致组织缺血，而过松的结则可能导致裂开。与改良缝合材料或无缝合密封剂等替代方案不同，我们提出在普通缝合线末端串联一个活结，形成一种新型缝合线——活结缝合线（sliputure）。对外科医生而言，使用活结缝合线的步骤与常规打结一样简单：先按常规打手术结，再拉动活结直至其打开。活结缝合线预编码的打开力（F_peak）可确保手术结的打结力精确处于可行范围内（手术结打结力=F_peak）。

为测试活结缝合线系统，我们招募了不同经验的外科医生（资深医生：经验>10年；初级医生：经验<10年），让他们在硅胶模型上打外科结关闭切口。结果显示，与普通缝合线相比，活结缝合线使初级医生的打结力精度提升了121%，表现与资深医生相当，且切口压力分布更集中。在动物实验中，活结缝合线修复的大鼠结肠损伤未出现漏液，术后粘连更少，血供改善，组织愈合加速，炎症反应减轻；在猪腹腔镜手术中，使用活结缝合线的修复部位平整，无组织膨出，缝合精度提升71.3%。

在机器人手术中，活结缝合线通过视觉信号实现智能缝合力限制，弥补了传统机器人缺乏力反馈的不足。将基于视觉的自动制动模块集成到达芬奇Xi机器人系统后，在硅胶模型和猪体内修复中均验证了可靠性能，还可整合到协作机械臂实现无人干预的智能操作。这种基于活结的机械传动策略无需复杂电子设备，成本低，稳定性高，为资源受限医疗、科学教育和野外勘探等领域开辟了新可能。