科技日?qǐng)?bào)記者 張佳星
具有優(yōu)良生物兼容性和高硬度特點(diǎn)的鈦合金條，被廣泛應(yīng)用于骨科手術(shù)中。長(zhǎng)期以來(lái)，其彎折成形一直靠醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中手工完成，耗時(shí)長(zhǎng)、難度大。
如今，能夠替代這一手工流程的機(jī)器人，經(jīng)長(zhǎng)沙、寧波、上海三地孵化成功問(wèn)世。今年5月，全球首創(chuàng)醫(yī)用植入物等材成形機(jī)器人成果轉(zhuǎn)化落地，從專(zhuān)用彎折臂等核心設(shè)備，到操控軟件，均由我國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主研制。它可根據(jù)個(gè)性化定制要求，實(shí)現(xiàn)鈦合金精準(zhǔn)成形，誤差小于1毫米。
“我們歷時(shí)十載、輾轉(zhuǎn)‘三遷’，讓機(jī)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?qǐng)?bào)記者，他們攜手中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“寧波材料所”）等多家單位，組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)矢志攻關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)這一醫(yī)學(xué)裝備的“人無(wú)我有”。
模仿人手，勇闖“無(wú)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(tuán)隊(duì)做過(guò)很多嘗試，效果一直差強(qiáng)人意。
“我們一開(kāi)始沒(méi)想到會(huì)這么難。”寧波材料所研究員左國(guó)坤回憶，他們與湘雅醫(yī)院遠(yuǎn)程溝通后，很快給出第一版草圖。在工程師們看來(lái)，只要控制好方向，再讓馬力足夠的電機(jī)施加彎折力，讓鈦合金精準(zhǔn)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(lái)：“設(shè)計(jì)雖然考慮了不同維度的形變路徑，但是無(wú)法‘復(fù)刻’扭擰、彎曲、擠壓等復(fù)雜手法，鈦合金回彈的問(wèn)題也沒(méi)能解決，遠(yuǎn)達(dá)不到要求。”
多次電話溝通未果，蔣燦華意識(shí)到問(wèn)題的根源——由于缺少手術(shù)場(chǎng)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(lái)現(xiàn)場(chǎng)觀摩！
于是，團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(lái)自寧波的工程師。
觀摩了醫(yī)生的現(xiàn)場(chǎng)示范后，寧波材料所高級(jí)工程師張佳楫明白了鈦合金條機(jī)器成形為什么是“無(wú)人區(qū)”。這一過(guò)程不僅費(fèi)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(gè)位置多用點(diǎn)力，但是這個(gè)力一旦用過(guò)了，又會(huì)導(dǎo)致鈦合金條其他部位翹起來(lái)。而多次嘗試的話，它又會(huì)被折斷。
“模仿人手是成功的關(guān)鍵。”張佳楫說(shuō)，只有讓機(jī)器人擁有像人手般的靈活度和自由度，才能精準(zhǔn)“復(fù)刻”醫(yī)生的手法。為此，團(tuán)隊(duì)幾易設(shè)計(jì)稿，不斷優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，確保機(jī)器人能夠完成復(fù)雜施力控制，同時(shí)盡可能讓機(jī)器人小型化。
設(shè)計(jì)稿經(jīng)反復(fù)打磨逐漸成熟時(shí)，制造機(jī)器人的元器件又問(wèn)題頻出。“許多結(jié)構(gòu)件是精密定制的，（我們）曾經(jīng)遇到過(guò)委托加工10個(gè)件，回來(lái)組裝時(shí)卻只有1個(gè)能用的情況。”梁燁說(shuō)。
為確保元器件合格，團(tuán)隊(duì)多方尋找企業(yè)“取經(jīng)”，最終在寧波藍(lán)野醫(yī)療器械有限公司的幫助下，對(duì)機(jī)器人部分核心組件開(kāi)展質(zhì)控測(cè)量，完成了機(jī)器人的設(shè)計(jì)安裝。
至此，世界首臺(tái)七軸五自由度等材成形機(jī)器人初露端倪。
實(shí)時(shí)仿真，培養(yǎng)“感知力”
由于鈦合金條會(huì)回彈，要讓機(jī)器人精準(zhǔn)施加一個(gè)達(dá)到目標(biāo)形變的力，還需要進(jìn)行復(fù)雜的建模。
“要構(gòu)建一個(gè)涵蓋各個(gè)方位回彈系數(shù)的算法非常困難。”梁燁說(shuō)，材料的不同部位、不同角度回彈幅度各不相同，多個(gè)空間、角度疊加后的回彈更難以計(jì)算和預(yù)估。
此外，鈦合金植入物是一個(gè)非規(guī)則圖形，其形變參數(shù)難以量化，因此很難給機(jī)器人下達(dá)明確的工作指令。一時(shí)間，研發(fā)工作再次進(jìn)入瓶頸期。
“我一直在琢磨，為什么資深醫(yī)生會(huì)比新手醫(yī)生完成得更好。”梁燁試圖從自己的經(jīng)驗(yàn)中找答案。他總結(jié)出，自己在操作時(shí)對(duì)施加力是有感知的——施力的大小與快慢會(huì)根據(jù)植入物的貼合度實(shí)時(shí)變化。
“不能給機(jī)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(jī)器人注入能夠自主思考的“靈魂”。
能不能將機(jī)器人算法中的解算目標(biāo)從形變改為力量感知呢？梁燁把這個(gè)想法和團(tuán)隊(duì)分享后，大家反復(fù)研討，制定出初步方案：通過(guò)力和電流的感知，結(jié)合算法及模型的構(gòu)建，讓機(jī)器人獲得醫(yī)生的“感知力”。
為了快速集結(jié)醫(yī)生、機(jī)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(shí)放下長(zhǎng)沙的臨床工作，開(kāi)啟了團(tuán)隊(duì)的“第二遷”，轉(zhuǎn)戰(zhàn)寧波。
“我們給機(jī)器人設(shè)計(jì)了一整套力量感知裝置，通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)、機(jī)械臂的力和電流等參數(shù)，預(yù)估機(jī)器人能夠達(dá)成的形變效果，以實(shí)現(xiàn)控制。”左國(guó)坤解釋?zhuān)瑐鞲衅鲿?huì)在施力過(guò)程中實(shí)時(shí)回傳電信號(hào)，描述植入物在貼合時(shí)遇到的障礙或阻力，機(jī)器人則根據(jù)回傳信號(hào)的強(qiáng)弱仿真計(jì)算，調(diào)整用力角度與大小。
為了讓耗材一次成形，團(tuán)隊(duì)還為機(jī)器人開(kāi)發(fā)了元胞孿生輔助技術(shù)，讓機(jī)器人對(duì)鈦合金條每一個(gè)點(diǎn)的軌跡進(jìn)行模擬、評(píng)估，規(guī)劃最優(yōu)彎折路徑，實(shí)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(yàn)證是成敗的關(guān)鍵。“我們使用包含機(jī)器人在內(nèi)的數(shù)字化診療技術(shù)，先后在多地的千余臺(tái)手術(shù)中進(jìn)行了臨床應(yīng)用，事實(shí)證明它不但可以，而且還很行！”梁燁告訴記者。
“化繭成蝶”，走進(jìn)手術(shù)室
科研樣機(jī)的每個(gè)螺絲、每個(gè)零部件、每行代碼，都是經(jīng)工程師之手研制而成。要想讓機(jī)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(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室，走向全國(guó)各地手術(shù)室，蔣燦華帶著團(tuán)隊(duì)四處奔波，在不同展覽展會(huì)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(shí)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(tuán)隊(duì)與位于上海的華榮科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“華榮股份”）達(dá)成意向，決定先合作完成中試樣機(jī)生產(chǎn)，再進(jìn)行簽約。作為轉(zhuǎn)化項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，梁燁帶著機(jī)器人一起踏上“第三遷”——前往上海完成中試。
一個(gè)寒冬的深夜，機(jī)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(yùn)行一遍就回去休息。“安裝時(shí)突然發(fā)現(xiàn)夾頭無(wú)法就位，我們一時(shí)也找不出哪個(gè)環(huán)節(jié)出了差錯(cuò)。”梁燁當(dāng)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(méi)想到的是，第二天清早他剛到現(xiàn)場(chǎng)，就看見(jiàn)桌上已經(jīng)整齊擺放了8個(gè)不同的夾頭，每個(gè)都從不同角度，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題分別進(jìn)行故障排查。“我們真正見(jiàn)識(shí)到了企業(yè)的生產(chǎn)效率！”梁燁感嘆道，過(guò)去一等就是數(shù)月的特制零部件，在華榮股份只需幾個(gè)小時(shí)就能生產(chǎn)出來(lái)。
“設(shè)備制造業(yè)的突破式創(chuàng)新要落地，離不開(kāi)產(chǎn)學(xué)研的‘?dāng)Q繩’式合作。”華榮股份總經(jīng)理李江說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室階段的任務(wù)是讓創(chuàng)新“從無(wú)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(gè)月，機(jī)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(chǎng)預(yù)期。目前團(tuán)隊(duì)已與寧波慈北醫(yī)療器械有限公司開(kāi)展戰(zhàn)略合作，共同推動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用到更多手術(shù)中。
“在門(mén)類(lèi)齊全、產(chǎn)業(yè)鏈完整的中國(guó)制造業(yè)支撐下，這臺(tái)機(jī)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(tuán)隊(duì)仍在不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(zhǔn)整復(fù)的“中國(guó)方案”。
