来源：科技日报
科技日报记者 杨雪
手术室内，佩戴3D眼镜的显微外科医生端坐在操作台前，操控着形似真人手臂的机械臂，借助显微镜仔细观察末端仅有钢笔尖大小的夹钳，稳稳地完成了细小血管的缝合操作……
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介绍，凭借这款自主研发的显微外科手术机器人，他们今年5月成功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，并同步实施了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，并且在设备小型化与精度方面展现出一定优势。”章一新表示。
与上海九院合作开展临床研究的，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，并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，成为国内首个进入该“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
章一新指出，人类手部的生理性震颤通常在50—100微米范围内，这构成了传统显微外科手术难以突破的天然瓶颈。此外，显微外科医生培养周期长、职业生涯较短，而临床上血管、淋巴管、神经等缝合需求巨大，导致医疗资源供需严重失衡。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场景设计的，在大负载、高速工况下表现良好，但低速、静止状态下会出现微量抖动，且机械臂尺寸庞大，会进一步放大抖动，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、减速器进行了改装，使其在低速静止状态下实现无抖动运行。
更重要的是解决精度问题。昂泰微精创始人及CEO李昂表示，以0.3毫米级血管吻合为例，需要达到约30微米级的控制尺度，才能完成稳定的进针、牵引和打结。全球能做到30微米精度显微外科手术的医生屈指可数，如果机器人能够实现，将极大“解放生产力”。
为了达到30微米精度，必须让机械臂具备亚微米级运动精度，团队对光栅传感器的解析度进行了更精细的划分。在高速运动场景中，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，从而减少信号延迟带来的误差。
然而，随后的研发一度卡壳在一个难以压下的误差峰值上：系统在常规状态下运行稳定，但一旦进入低速、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，肉眼几乎无法察觉，而在显微外科领域却足以影响精细操作的稳定性。
那段时间，团队几乎尝试了所有能想到的方案：修改参数、调整结构、增加屏蔽、反复验证，测试记录越堆越厚，结果却总是不尽如人意。
李昂回忆，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，最终将系统末端控制推进到新的精度边界！”李昂说。
如今，昂泰微精这款机器人能够稳定操作直径仅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，使医生在缝合0.3毫米以下的血管和淋巴管（超显微外科处理范围）时操作更加稳定。
给机械臂“瘦身”
庞大的机械臂不仅会放大抖动，还会占用空间——在实施显微外科手术时，手术机器人需要配合显微镜进行摆位，“体型”越小越方便。当时，业内机器人设备普遍“体型”偏大而难以摆位，一直是行业痛点。
“要从使用性能上更优，必须将机械臂小型化。”李昂说，核心关键在于将电机小型化后仍能确保足够的扭力输出，道理简单，但真正解决一整套问题并不轻松。
常规机械臂的电机和变速箱采用串联设计，连接后整体较长。能否改为并联？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能保持平滑稳定。然而，在较为顺利解决润滑问题后，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发出去，局部温升一旦上升，不仅影响运行稳定性，还会引发新的电磁干扰。那段时间，团队反复拆装样机，散热片形态改了多轮，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非均匀扩散，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，不如为它设计一条有层次的“退路”。经过数月的反复结构调整，他们将散热组件做成三维立体多空洞设计，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，也兼顾了电磁屏蔽和降噪需求。这种分级散热方式，使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。李昂表示，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，需要缝合细小的血管、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完成此类作业。
做出最小最灵活的腕式夹钳
让手术机器人能够进行更深度的操作，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毫米深度颅底操作的医生，全球不超过10人。
拥有了更小、更稳定精准的机械臂，要进入显微手术中狭小且血管神经纵横交错的患处，还需要更精细、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、制造的每个环节都是挑战。”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实验，解决一个个细枝末节的问题。
例如加工器械时的公差问题。5轴机床加工工件时，翻面操作会导致公差变大，哪怕头发丝大小的误差，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，团队每天都得与这道公差难题较劲。
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，团队又花费数月时间反复打样、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，将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，实现了显微外科手术机器人120毫米深度作业，可到达颅底进行自由操作。
