交互感知連續(xù)體機(jī)器人，哈工大團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)微創(chuàng)內(nèi)耳手術(shù)新范式

“首創(chuàng)經(jīng)自然腔道內(nèi)耳微創(chuàng)手術(shù)，開啟精準(zhǔn)治療新路徑。

近日，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，在哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙杰教授指導(dǎo)下，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人張赫教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)性提出經(jīng)耳道自然腔道入路的內(nèi)耳機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)新術(shù)式，研制的內(nèi)耳手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)（DS-MDCR）實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)的內(nèi)耳藥物精準(zhǔn)注射和淋巴液微創(chuàng)采樣。該成果突破了狹小、深部、曲折解剖空間下手術(shù)機(jī)器人靈巧操作、智能感知與精準(zhǔn)控制等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，首次為內(nèi)耳疾病建立了“經(jīng)自然腔道、微創(chuàng)精準(zhǔn)干預(yù)”的全新技術(shù)路徑。

傳統(tǒng)內(nèi)耳手術(shù)雖然為耳科疾病提供了治療手段，卻始終存在一個(gè)致命短板——這些方案要么需要磨開顳骨、創(chuàng)傷巨大，要么只能全身給藥"大水漫灌"，藥物被血-迷路屏障擋在門外。面對(duì)突發(fā)性耳聾、梅尼埃病等內(nèi)耳疾病，醫(yī)生可能反復(fù)嘗試鼓室注射，藥物卻很快被咽鼓管清除，真正能精準(zhǔn)送達(dá)耳蝸的方法，至今仍停留在臨床前研究階段。

與傳統(tǒng)內(nèi)耳手術(shù)創(chuàng)傷大、恢復(fù)慢、預(yù)后受限等問題相比，這一源頭創(chuàng)新成果依托耳道這一人體自然腔道完成手術(shù)入路，顯著減少組織損傷，術(shù)后愈合狀態(tài)更好，有望打破長(zhǎng)期以來內(nèi)耳手術(shù)“高創(chuàng)傷、高風(fēng)險(xiǎn)”的治療局限，推動(dòng)相關(guān)治療模式實(shí)現(xiàn)變革性升級(jí)。該技術(shù)可進(jìn)一步結(jié)合基因治療手段，為先天性耳聾等兒童內(nèi)耳疾病的早期精準(zhǔn)干預(yù)提供關(guān)鍵支撐，有望開辟從早診斷、早干預(yù)到術(shù)后無創(chuàng)治療的新路徑。相關(guān)研究成果以《Interaction-aware dexterous robot for minimally invasive transcanal inner ear interventions》為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

哈工大機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一通訊單位。哈工大機(jī)電工程學(xué)院張赫教授、北京航空航天大學(xué)張?zhí)煅┲斫淌?、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院賈歡主任為論文共同通訊作者。哈工大博士研究生李海銘、高培源和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院主治醫(yī)師譚皓月為論文共同第一作者。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院、北京航空航天大學(xué)、中山大學(xué)深圳校區(qū)、山東大學(xué)等單位學(xué)者參與本項(xiàng)研究工作。

01.

三合一架構(gòu)：不是輔助工具，是"能看、能感、能操作"的一體化手術(shù)平臺(tái)

提到耳科手術(shù)機(jī)器人，你可能會(huì)想到輔助人工耳蝸植入的鉆骨系統(tǒng)，或者幫醫(yī)生扶穩(wěn)內(nèi)窺鏡的機(jī)械臂。但這些方案始終繞不開一個(gè)根本性的設(shè)計(jì)矛盾：要小型化，就犧牲靈活性；要多功能，就做不小。

張赫教授團(tuán)隊(duì)的整體思路是將導(dǎo)航、視覺和手術(shù)操作融合，并加入力感知反饋機(jī)制，構(gòu)建起完整的閉環(huán)手術(shù)體系，讓機(jī)器人在狹窄耳道中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作。

整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)核心模塊協(xié)同支撐：雙段連續(xù)體機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)靈活導(dǎo)航和姿態(tài)調(diào)整，集成內(nèi)窺鏡提供全程實(shí)時(shí)視覺，F(xiàn)BG力感知微針完成精密穿刺和力學(xué)反饋。三個(gè)模塊在手術(shù)過程中動(dòng)態(tài)交互，形成了一套完整的"導(dǎo)航-觀察-操作-感知"閉環(huán)流程。

這臺(tái)DS-MDCR的核心參數(shù)令人印象深刻：直徑僅2毫米，長(zhǎng)度不到7毫米，由一系列空心鞍形關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，通過外部拮抗繩索驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的精密運(yùn)動(dòng)。它的最大彎曲角度達(dá)到±136°，最小彎曲半徑僅1.9毫米，可以在耳道內(nèi)靈活擺出C形和S形的三維構(gòu)型，繞過聽小骨等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)抵達(dá)圓窗膜。

DS-MDCR（Dual-Segment Miniature Dexterous Continuum Robot）的整體系統(tǒng)配置

02.

鞍形關(guān)節(jié)+運(yùn)動(dòng)解耦：在"螺螄殼里做道場(chǎng)"

關(guān)鍵在于"各彎各的，互不干擾"——近端和遠(yuǎn)端兩段之間的位置耦合誤差僅12±9微米，真正實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)解耦。為了解決繩索驅(qū)動(dòng)固有的非線性遲滯問題，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一套混合補(bǔ)償策略，將最大跟蹤誤差降至0.82°。同時(shí)，通過張力控制實(shí)現(xiàn)可調(diào)剛度——在約50倍自重的載荷下，遠(yuǎn)端尖端偏移僅0.18毫米，確保了在組織接觸時(shí)的位置穩(wěn)定性。

要在2-5毫米寬的彎曲腔道里完成精密操作，機(jī)器人的彎曲性能是生死線。

不同于傳統(tǒng)連續(xù)體機(jī)器人依賴柔性材料或剛性鉸鏈，DS-MDCR采用了一種獨(dú)特的鞍形關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。這些關(guān)節(jié)由不銹鋼精密加工而成，彎曲剛度高達(dá)595 N/mm，既能抵抗繩索張力引起的變形，又能通過正交堆疊實(shí)現(xiàn)雙段獨(dú)立彎曲。

在實(shí)際手術(shù)中，機(jī)器人需要先以C形彎曲通過鼓膜切口進(jìn)入中耳腔，再以S形彎曲繞過聽小骨抵達(dá)圓窗龕——整個(gè)過程中，近端彎曲負(fù)責(zé)"入門"，遠(yuǎn)端彎曲負(fù)責(zé)"瞄準(zhǔn)"，兩段獨(dú)立控制、互不干擾，就像一只能在狹窄管道里靈活轉(zhuǎn)彎的微型蛇。

DS-MDCR的設(shè)計(jì)與性能表征

03.

FBG力感知微針：讓醫(yī)生"閉著眼也知道扎到哪了"

圓窗膜的穿刺是整個(gè)手術(shù)中最兇險(xiǎn)的一步。這層膜極其脆弱，穿刺角度、深度、力度稍有偏差，就可能造成不可逆的聽力損失。而在狹窄的耳道深處，內(nèi)窺鏡的視野存在盲區(qū)，醫(yī)生不可能完全依賴視覺判斷。

DS-MDCR的解決方案是：給微針裝上"觸覺"。

團(tuán)隊(duì)將FBG光纖與金屬微針集成，建立了波長(zhǎng)偏移與軸向力之間的線性映射關(guān)系，力分辨率約1.0毫牛。在豚鼠顳骨離體實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)清晰捕捉到了穿刺全過程的力學(xué)特征：初始接觸時(shí)力值較低，隨膜變形逐漸升高；穿透圓窗膜時(shí)力值約20.7毫牛；若針尖誤觸圓窗龕骨壁，力值會(huì)驟升至約43.7毫?！谴┠ちΦ膬杀?，且加載速率明顯更高。

這種截然不同的力學(xué)信號(hào)，為醫(yī)生提供了關(guān)鍵的機(jī)械反饋：即使看不清，也能通過力信號(hào)判斷針尖是在穿膜、還是碰到了骨壁，從而及時(shí)調(diào)整，避免損傷。這一過程類似于具身智能中的"行動(dòng)中反思"——機(jī)器人在執(zhí)行前就能通過力覺預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)，而非盲目試錯(cuò)。

具備交互狀態(tài)感知的獨(dú)立自由度穿刺微針系統(tǒng)

04.

從尸體標(biāo)本到活體動(dòng)物：全流程驗(yàn)證，聽力幾乎零損傷

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩項(xiàng)遞進(jìn)式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分別面向可行性驗(yàn)證與完整手術(shù)范式驗(yàn)證，全面考驗(yàn)機(jī)器人在真實(shí)解剖環(huán)境中的表現(xiàn)。

人類尸體頭標(biāo)本實(shí)驗(yàn)：跨越解剖障礙，驗(yàn)證路徑可行性

團(tuán)隊(duì)首先在4例人類尸體頭標(biāo)本上進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。在內(nèi)窺鏡引導(dǎo)下，DS-MDCR經(jīng)耳道進(jìn)入，通過鼓膜切口，以S形彎曲路徑繞過中耳骨性障礙，成功完成了所有標(biāo)本的圓窗膜穿刺。

術(shù)中繩索張力監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)巧妙的安全指標(biāo)：機(jī)器人與鼓膜接觸/脫離時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的張力變化，而在中耳腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)未出現(xiàn)異常波動(dòng)——說明機(jī)器人成功避開了聽小骨等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

人體頭部標(biāo)本內(nèi)耳微創(chuàng)穿刺

犬類活體實(shí)驗(yàn)：首次天然腔道活體內(nèi)耳介入

隨后，團(tuán)隊(duì)在5只犬類活體模型上完成了完整的手術(shù)范式驗(yàn)證——這也是據(jù)團(tuán)隊(duì)所知，首次通過自然腔道實(shí)現(xiàn)的活體機(jī)器人內(nèi)耳介入（采樣+注射）。機(jī)器人經(jīng)耳道遙操作抵達(dá)圓窗膜，完成穿刺后，成功進(jìn)行了外淋巴液微量取樣和耳蝸內(nèi)釓造影劑注射。數(shù)字減影血管造影（DSA）實(shí)時(shí)顯示了造影劑在耳蝸內(nèi)的連續(xù)分布，證實(shí)了注射的有效性。

術(shù)后結(jié)果令人振奮：聽力方面，術(shù)后30天隨訪聽覺腦干反應(yīng)閾值偏移僅1±4.2 dB，幾乎可以忽略；鼓膜切口術(shù)后第7天完全愈合；圓窗膜穿刺點(diǎn)術(shù)后第1天即愈合，30天后共聚焦顯微鏡和H&E染色切片確認(rèn)膜結(jié)構(gòu)完整；耳蝸基底膜完整，內(nèi)耳無局部炎癥反應(yīng)。

值得一提的是，同一操作者的手術(shù)時(shí)間從首次尸體實(shí)驗(yàn)的12.3分鐘縮短到后期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的約4分鐘，展現(xiàn)出良好的學(xué)習(xí)曲線和臨床可及性。

犬模型體內(nèi)實(shí)驗(yàn)：經(jīng)耳道低損傷機(jī)器人采樣與注射技術(shù)（TARGET）

05.

結(jié)語與未來

DS-MDCR的誕生，是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃持續(xù)支持下的一項(xiàng)里程碑式突破。從微型連續(xù)體機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，到力感知微針的精密集成，再到活體動(dòng)物模型的全流程驗(yàn)證，每一步關(guān)鍵技術(shù)的攻克都離不開國(guó)家層面對(duì)手術(shù)機(jī)器人前沿方向的戰(zhàn)略布局和長(zhǎng)期投入。

可以說，這項(xiàng)成果重新定義了內(nèi)耳手術(shù)的范式——從"開顱磨骨"的重創(chuàng)手術(shù)，轉(zhuǎn)向通過天然腔道、集導(dǎo)航-視覺-操作-感知于一體的精準(zhǔn)微創(chuàng)介入。它不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，更是我國(guó)在微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域從"跟跑"邁向"領(lǐng)跑"的生動(dòng)注腳。

未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的持續(xù)支持下，引入半自主輔助功能、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航界面，以及多模態(tài)感知融合，進(jìn)一步提升手術(shù)的智能化水平。同時(shí)，研究還將擴(kuò)大樣本量，在疾病模型上驗(yàn)證療效，推動(dòng)這一技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向臨床，讓更多內(nèi)耳疾病患者受益。

當(dāng)一根2毫米的機(jī)器人能在耳道深處完成曾經(jīng)不可能的精密操作，它帶來的不只是技術(shù)指標(biāo)的突破，更是對(duì)"微創(chuàng)"二字的重新定義——真正的微創(chuàng)，是讓天然通道成為手術(shù)入口，讓患者幾乎感受不到手術(shù)曾經(jīng)發(fā)生過。

致謝：本項(xiàng)目同時(shí)得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、黑龍江省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目、黑龍江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、北京航空航天大學(xué)“雙一流”專項(xiàng)基金、上海市耳鼻疾病轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院交叉學(xué)科研究項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72398-5