科技日報記者 張佳星

具有優(yōu)良生物兼容性和高硬度特點的鈦合金條，被廣泛應(yīng)用于骨科手術(shù)中。長期以來，其彎折成形一直靠醫(yī)生在手術(shù)過程中手工完成，耗時長、難度大。

如今，能夠替代這一手工流程的機器人，經(jīng)長沙、寧波、上海三地孵化成功問世。今年5月，全球首創(chuàng)醫(yī)用植入物等材成形機器人成果轉(zhuǎn)化落地，從專用彎折臂等核心設(shè)備，到操控軟件，均由我國研發(fā)團隊自主研制。它可根據(jù)個性化定制要求，實現(xiàn)鈦合金精準成形，誤差小于1毫米。

“我們歷時十載、輾轉(zhuǎn)‘三遷’，讓機器人練就一雙‘巧手’。”中南大學(xué)湘雅醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)中心主任蔣燦華告訴科技日報記者，他們攜手中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱“寧波材料所”）等多家單位，組建研發(fā)團隊矢志攻關(guān)，最終實現(xiàn)這一醫(yī)學(xué)裝備的“人無我有”。

模仿人手，勇闖“無人區(qū)”

骨科手術(shù)用到的鈦合金條，要求成本低、精度高、成品快。為了走出“手工作坊”模式，此前，蔣燦華與團隊做過很多嘗試，效果一直差強人意。

“我們一開始沒想到會這么難。”寧波材料所研究員左國坤回憶，他們與湘雅醫(yī)院遠程溝通后，很快給出第一版草圖。在工程師們看來，只要控制好方向，再讓馬力足夠的電機施加彎折力，讓鈦合金精準成形并不難。

看到草圖后，湘雅醫(yī)院副教授梁燁卻高興不起來：“設(shè)計雖然考慮了不同維度的形變路徑，但是無法‘復(fù)刻’扭擰、彎曲、擠壓等復(fù)雜手法，鈦合金回彈的問題也沒能解決，遠達不到要求。”

多次電話溝通未果，蔣燦華意識到問題的根源——由于缺少手術(shù)場景，工程師不清楚手術(shù)中醫(yī)生究竟是怎么做的，必須讓工程師來現(xiàn)場觀摩！

于是，團隊開始了“第一遷”，湘雅醫(yī)院的口腔數(shù)字重建工作室里多了幾位來自寧波的工程師。

觀摩了醫(yī)生的現(xiàn)場示范后，寧波材料所高級工程師張佳楫明白了鈦合金條機器成形為什么是“無人區(qū)”。這一過程不僅費力，力道還必須恰到好處。例如，為了防止鈦合金條變形后回彈，往往要在某個位置多用點力，但是這個力一旦用過了，又會導(dǎo)致鈦合金條其他部位翹起來。而多次嘗試的話，它又會被折斷。

“模仿人手是成功的關(guān)鍵。”張佳楫說，只有讓機器人擁有像人手般的靈活度和自由度，才能精準“復(fù)刻”醫(yī)生的手法。為此，團隊幾易設(shè)計稿，不斷優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，確保機器人能夠完成復(fù)雜施力控制，同時盡可能讓機器人小型化。

設(shè)計稿經(jīng)反復(fù)打磨逐漸成熟時，制造機器人的元器件又問題頻出。“許多結(jié)構(gòu)件是精密定制的，（我們）曾經(jīng)遇到過委托加工10個件，回來組裝時卻只有1個能用的情況。”梁燁說。

為確保元器件合格，團隊多方尋找企業(yè)“取經(jīng)”，最終在寧波藍野醫(yī)療器械有限公司的幫助下，對機器人部分核心組件開展質(zhì)控測量，完成了機器人的設(shè)計安裝。

至此，世界首臺七軸五自由度等材成形機器人初露端倪。

實時仿真，培養(yǎng)“感知力”

由于鈦合金條會回彈，要讓機器人精準施加一個達到目標形變的力，還需要進行復(fù)雜的建模。

“要構(gòu)建一個涵蓋各個方位回彈系數(shù)的算法非常困難。”梁燁說，材料的不同部位、不同角度回彈幅度各不相同，多個空間、角度疊加后的回彈更難以計算和預(yù)估。

此外，鈦合金植入物是一個非規(guī)則圖形，其形變參數(shù)難以量化，因此很難給機器人下達明確的工作指令。一時間，研發(fā)工作再次進入瓶頸期。

“我一直在琢磨，為什么資深醫(yī)生會比新手醫(yī)生完成得更好。”梁燁試圖從自己的經(jīng)驗中找答案。他總結(jié)出，自己在操作時對施加力是有感知的——施力的大小與快慢會根據(jù)植入物的貼合度實時變化。

“不能給機器人設(shè)定固定用力方案，而是需要讓它具備與醫(yī)生相似的感知能力。”梁燁笑道，這就猶如給機器人注入能夠自主思考的“靈魂”。

能不能將機器人算法中的解算目標從形變改為力量感知呢？梁燁把這個想法和團隊分享后，大家反復(fù)研討，制定出初步方案：通過力和電流的感知，結(jié)合算法及模型的構(gòu)建，讓機器人獲得醫(yī)生的“感知力”。

為了快速集結(jié)醫(yī)生、機械工程師、算法工程師等跨學(xué)科力量，在湘雅醫(yī)院的支持下，梁燁暫時放下長沙的臨床工作，開啟了團隊的“第二遷”，轉(zhuǎn)戰(zhàn)寧波。

“我們給機器人設(shè)計了一整套力量感知裝置，通過監(jiān)測電機、機械臂的力和電流等參數(shù)，預(yù)估機器人能夠達成的形變效果，以實現(xiàn)控制。”左國坤解釋，傳感器會在施力過程中實時回傳電信號，描述植入物在貼合時遇到的障礙或阻力，機器人則根據(jù)回傳信號的強弱仿真計算，調(diào)整用力角度與大小。

為了讓耗材一次成形，團隊還為機器人開發(fā)了元胞孿生輔助技術(shù)，讓機器人對鈦合金條每一個點的軌跡進行模擬、評估，規(guī)劃最優(yōu)彎折路徑，實現(xiàn)植入物等材成形的數(shù)字化、智能化。

獲取感知能力后，臨床驗證是成敗的關(guān)鍵。“我們使用包含機器人在內(nèi)的數(shù)字化診療技術(shù)，先后在多地的千余臺手術(shù)中進行了臨床應(yīng)用，事實證明它不但可以，而且還很行！”梁燁告訴記者。

“化繭成蝶”，走進手術(shù)室

科研樣機的每個螺絲、每個零部件、每行代碼，都是經(jīng)工程師之手研制而成。要想讓機器人成果轉(zhuǎn)化落地，就必須讓生產(chǎn)融入工業(yè)化流水線。

為了讓機器人走出實驗室，走向全國各地手術(shù)室，蔣燦華帶著團隊四處奔波，在不同展覽展會上尋找合作企業(yè)。回憶轉(zhuǎn)化之初，蔣燦華深有感觸：“這一步走得不容易。”

歷時數(shù)月的尋找，從追著企業(yè)跑，到審慎挑選合作企業(yè)，他們終于給成果找到了“好婆家”。2024年10月，團隊與位于上海的華榮科技股份有限公司（以下簡稱“華榮股份”）達成意向，決定先合作完成中試樣機生產(chǎn)，再進行簽約。作為轉(zhuǎn)化項目負責(zé)人，梁燁帶著機器人一起踏上“第三遷”——前往上海完成中試。

一個寒冬的深夜，機器人2.0的硬件控制終于調(diào)通，大家打算將生產(chǎn)線上的夾頭裝上，運行一遍就回去休息。“安裝時突然發(fā)現(xiàn)夾頭無法就位，我們一時也找不出哪個環(huán)節(jié)出了差錯。”梁燁當即拍下照片發(fā)到工作群里，想著第二天和企業(yè)方一起討論解決。

令梁燁沒想到的是，第二天清早他剛到現(xiàn)場，就看見桌上已經(jīng)整齊擺放了8個不同的夾頭，每個都從不同角度，對可能出現(xiàn)的問題分別進行故障排查。“我們真正見識到了企業(yè)的生產(chǎn)效率！”梁燁感嘆道，過去一等就是數(shù)月的特制零部件，在華榮股份只需幾個小時就能生產(chǎn)出來。

“設(shè)備制造業(yè)的突破式創(chuàng)新要落地，離不開產(chǎn)學(xué)研的‘擰繩’式合作。”華榮股份總經(jīng)理李江說，實驗室階段的任務(wù)是讓創(chuàng)新“從無到有”，而在產(chǎn)品化階段，企業(yè)要做的就是讓創(chuàng)新“從有到精”。

僅3個月，機器人2.0便順利下線。產(chǎn)品化的它比第一代效率更高、成本更低，也更符合市場預(yù)期。目前團隊已與寧波慈北醫(yī)療器械有限公司開展戰(zhàn)略合作，共同推動機器人應(yīng)用到更多手術(shù)中。

“在門類齊全、產(chǎn)業(yè)鏈完整的中國制造業(yè)支撐下，這臺機器人的生產(chǎn)與應(yīng)用之路將越走越寬。”蔣燦華告訴記者，團隊仍在不斷優(yōu)化設(shè)計、完善功能、迭代版本，以期形成引領(lǐng)全球的數(shù)字化頜面精準整復(fù)的“中國方案”。