让显微外科手术机器人更“小”更“精”更“灵”

来源：科技日报

科技日报记者 杨雪

手术室里，显微外科医生戴着3D眼镜坐在操作台前，操纵着酷似真人胳膊的机械臂，通过显微镜仔细观察最前端钢笔尖大小的夹钳，稳稳地完成了细小血管的缝合……

这一幕发生在上海交通大学附属第九人民医院。整复外科行政副主任、重建显微外科专科中心主任章一新告诉记者，利用这款自主研发的显微外科手术机器人，他们5月刚刚完成了全球首例机器人辅助巨大隆突性皮肤纤维肉瘤根治性切除，并实施游离皮瓣的显微移植修复。“在显微外科手术机器人领域，我国已实现并跑，而且在设备小型化、精度上略显优势。”章一新说。

与上海九院合作进行临床研究的，是昂泰微精医疗科技（上海）有限公司。这款机器人操作精度达到“亚微米级”，目前已结束人体临床实验，且已正式进入国家药品监督管理局创新医疗器械特别审查程序，是国内首个进入该“绿色通道”的通用型显微外科手术机器人。

向“30微米精度”进军

章一新介绍，人类手部的生理性震颤通常在50—100微米范围，这成为传统显微外科手术难以突破的天然瓶颈。而且，显微外科医生培养难、职业生涯短，临床上血管、淋巴管、神经等缝合需求又很大，医疗资源供需严重不平衡。手术机器人的出现可谓久旱逢甘霖。

“现成的机械臂是为工业设计的，在大载重、高速场景下没问题，但在低速、静止状态下会有微量抖动，而且机械臂尺寸庞大，会放大抖动，这在显微手术中影响极大。”昂泰微精团队针对这一行业痛点，对机械臂核心的驱动器、伺服电机、减速器进行改装，让其在低速静止状态下无抖动。

更重要的是解决精度的问题。昂泰微精创始人及CEO李昂说，以0.3毫米级血管吻合为例，需要达到约30微米级控制尺度，才能完成稳定进针、牵引和打结。世界上能做30微米精度显微外科手术的医生凤毛麟角，如果机器人能做到，将极大地“解放生产力”。

想达到30微米精度，就要让机械臂实现亚微米级运动精度，团队将光栅传感器解析度进行更细分。高速运动场景中，细分技术通过算法或电路将单个周期信号进一步分割为更小的相位差信号，可减少信号延迟带来的误差。

然而，之后的研发一度卡壳在一个迟迟压不下去的误差峰值上：系统在常规状态下运行稳定，但一进入低速、静止和微动作切换的临界状态，末端轨迹就会出现极细微的漂移，肉眼几乎察觉不到，放之显微外科却足以影响精细操作的稳定性。

那段时间，团队几乎把能想到的方案都试了一遍，改参数、调结构、做屏蔽、反复验证，测试记录摞得越来越厚，结果总是差强人意。

李昂还记得，转机出现在一个深夜。在连续测试十几个小时后，团队突然从一条异常平静的轨迹曲线中捕捉到关键线索——问题并不只在单一环节，而是传动精度、电磁干扰和控制响应在极低速状态下形成了隐蔽耦合。

“我们豁然开朗，重新梳理传动链路和控制逻辑，逐一拆解变量，反复组合验证，终于把系统末端控制推进到新的精度边界！”李昂说。

现在，昂泰微精这款机器人能稳定操作直径仅30微米的显微器械，并通过智能消颤技术滤除操纵台端人手产生的生理性震颤，让医生在缝合0.3毫米以下的血管和淋巴管（超显微外科处理范围）时更稳定。

给机械臂“瘦身”

庞大的机械臂不仅会放大抖动，还碍事——在实施显微外科手术的过程中，手术机器人需要配合显微镜来摆位，“体型”越小越方便。彼时，业内机器人设备普遍“体型”偏大而难摆位，一直是行业痛点。

“我们要从使用性能上更优，必须将机械臂小型化。”李昂说，核心关键是将电机小型化后仍能确保足够的扭力输出，道理简单，但真正把一整套问题解决下来，并不轻松。

常规机械臂的电机和变速箱为串联设计，连在一起比较长。能不能改成并联呢？团队尝试将变速箱平放在电机旁边，但这需要重新设计齿轮和变速比，还要解决散热、电磁干扰、润滑等一系列难题。

通过改变齿轮结构、更换材料，加速过程在无需信号控制的情况下也可保持平滑稳定。然而，较为顺利解决完润滑的问题后，团队又被“热”困住了很久。

让李昂记忆犹新的是，随着电机和传动部件越做越小，极限尺寸下，热量更难散出去，局部温升一上来，不仅影响运行稳定性，还会带来新的电磁干扰。那段时间，团队把样机拆了又装、装了又拆，散热片形态改了很多轮，效果始终不够理想。

终于，在一次连续测试后，研发团队成员戴工发现，热量在极小空间里并不是均匀扩散的，而是沿着几个局部区域迅速堆积，再向周边敏感部件“串”过去。

顺着这个现象，团队开始转换思路，既然不能让热在狭小空间里“一股脑”散开，不如给它设计一条有层次的“退路”。经过几个月的反复调整结构，他们把散热组件做成立体几何多空洞设计，让热量在传出的瞬间先快速释放，再沿着组件延展方向逐级散出，既避免对周边区域的热辐射影响，也兼顾电磁屏蔽和降噪需求。如此分级散热的方式，让机械臂小型化真正向前迈了一大步。

机械臂最终被缩小到可乐瓶那么高。李昂说，他们在上海九院完成的第一例临床实验，是一台长达15小时的纤维肉瘤手术，需缝合细小的血管、淋巴管和神经，涉及50毫米以上深度的操作，其他机器人因体积庞大难以作业。

做出最小最灵活的腕式夹钳

让手术机器人能够更深度地操作，正是李昂的初衷。他之所以决定研发这款产品，缘起于一次交谈中，某国际知名神经外科专家曾告诉他，能进行120毫米深度的颅底操作的医生，全球不超过10人。

拥有了更小、更稳准的机械臂，要进入显微手术中狭小且血管神经纵横交错的患处，还需要更精、更灵活的手术器械。“在狭小空间内嵌入多个复杂的联动组件，既要保证使用功能又要达到安全标准，研发，设计，制造每个环节都是挑战。”李昂说。

物理尺度极小的工件，在设计加工中往往充斥着大量非线性参数，每一步都需要基于宏观与微观分界边缘状态下的摸索和成千上万次的实验，解决一个个细枝末节的问题。

比如加工器械时的公差。5轴机床加工工件时，翻面操作会导致公差变大，哪怕是头发丝大小的误差，也会导致零件无法组装。“高端6轴以上精密机床禁运，况且我们也没有足够资金购买。”李昂说，唯一的办法是改装5轴机床，团队每天都得和这道公差难题较劲。

工件太小，翻一次面，基准点就可能发生极细微的偏移，前一道工序积累下来的误差会被继续放大，做到最后，零件常常差之毫厘，装不上去。方案试了无数，始终找不到一个既能翻面、又能把基准点稳稳“锁住”的办法。研发团队工程师杨富荣在一次遛狗时，牵着狗经过路边护栏，看到牵引绳绕着立柱变换方向，手上的牵引点却始终稳定，便突发奇想：如果能在机床上加装一个带联动关系的夹持装置，让工件在翻转过程中始终围绕同一基准点变化位置，而不是每翻一次面都重新找正，公差问题或许就能压下来。

顺着这个思路，团队又花了数月时间反复打样、调整结构，最终做出了自研装置，通过特殊的夹持和联动设计，把加工过程中的基准点稳定控制住。这样一来，5轴机床被“逼”出了更高维度的加工能力，不仅解决了业界难题，还降低了制造成本。

在这台经改造的5轴机床上，昂泰微精自主设计并生产出直径2毫米、具有7个自由度的“手腕”——全球最小腕式夹钳，实现显微外科手术机器人120毫米深度作业，可达颅底进行自由操作。