醫(yī)學(xué)是保護(hù)和恢復(fù)健康的藝術(shù)，是人類文明的一個(gè)重要組成部分。巴甫洛夫曾說：“有了人類就有了醫(yī)療的活動(dòng)。”它的歷史如水滴，涓流成河……從最原始的神的醫(yī)學(xué)開始，隨著人本思想漣漪的泛起走向人的醫(yī)學(xué)，而后基于對(duì)人體解剖結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，科學(xué)醫(yī)學(xué)初露端倪，再后來依托高新技術(shù)的融入，醫(yī)學(xué)迎來了它的科技時(shí)代。

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手術(shù)方式作為醫(yī)療的一種有效方式，其發(fā)展經(jīng)歷了漫長的演變過程。外科手術(shù)最早以開放手術(shù)模式為主，所用器械單一且簡單。但伴隨科技進(jìn)步狂瀾踏至外科各個(gè)領(lǐng)域，外科手術(shù)方式漸由傳統(tǒng)開放術(shù)式向微創(chuàng)手術(shù)(Minimally invasive surgery, MIS)邁進(jìn)。1987年，法國成功實(shí)施第一例微創(chuàng)手術(shù)標(biāo)志著外科微創(chuàng)時(shí)代的來臨，但相應(yīng)手術(shù)器械只是傳統(tǒng)器械的簡單變化，且大多為硬質(zhì)器械。在微創(chuàng)器械實(shí)現(xiàn)方面，國際上最具代表性的有美國da Vinci機(jī)器人輔助手術(shù)器械，也是目前商業(yè)化最成功的系統(tǒng)。單純的硬質(zhì)器械在微創(chuàng)約束特征下，其兩端運(yùn)動(dòng)不再遵循直觀的映射規(guī)律，對(duì)手術(shù)質(zhì)量有重要影響的精確力映射也大大減弱。由于器械與組織交互作用機(jī)理尚未突破，使具有結(jié)構(gòu)剛性的器械對(duì)組織進(jìn)行夾持、切割等操作時(shí)，力矢量與運(yùn)動(dòng)矢量不易精準(zhǔn)把握而致?lián)p傷組織或器官。

近年來，自然腔道手術(shù)因其對(duì)人體創(chuàng)傷很小，逐漸受到醫(yī)學(xué)界青睞。自然腔道手術(shù)(Natural orifice transluminal endoscopic surgery, NOTES)是經(jīng)過人體自然腔道，例如經(jīng)食道、陰道、腸道，而實(shí)施手術(shù)。自然腔道手術(shù)器械不僅要求具有對(duì)人體的適應(yīng)性，即柔性可達(dá)，而且要求器械操作過程精準(zhǔn)穩(wěn)定，并具備縫合打結(jié)、切割止血等基本功能。圍繞自然腔道手術(shù)，英國倫敦大學(xué)國王學(xué)院開發(fā)了具有剛度可控的柔性連續(xù)體手術(shù)器械，約翰霍普金斯大學(xué)TAYLOR等開發(fā)了具有34個(gè)活動(dòng)度的蛇形結(jié)構(gòu)手術(shù)器械，哥倫比亞大學(xué)NABIL等利用Ni-Ti合金開發(fā)了多自由雙臂協(xié)調(diào)操作手術(shù)器械，意大利理工學(xué)院與比薩圣安娜高等學(xué)校研制高靈活性柔性“章魚”機(jī)械臂等。但柔性手術(shù)器械存在著操作精度較低、體積較大、控制復(fù)雜等工程問題，與之相關(guān)的創(chuàng)成基本原理、機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模型及與柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)理相關(guān)的基礎(chǔ)理論問題還遠(yuǎn)未解決。因此，探索先進(jìn)手術(shù)器械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與仿生制造的科學(xué)原理是機(jī)械工程學(xué)科的重要任務(wù)之一。

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“精準(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)器械創(chuàng)成與制造基礎(chǔ)”，是針對(duì)傳統(tǒng)器械設(shè)計(jì)中存在的能量作用界面機(jī)理不清、柔性適應(yīng)性不足、組織附著問題、服役性能不安全等不足之處，探究生/機(jī)接觸機(jī)制與交互作用規(guī)律、剛?cè)狁詈蠙C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)映射關(guān)系、結(jié)構(gòu)/功能一體化制造新原理等基礎(chǔ)科學(xué)問題，天津大學(xué)王樹新教授項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開展了微創(chuàng)器械生理相容與交互作用機(jī)理研究，仿生界面的設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)研究，微創(chuàng)器械創(chuàng)成與實(shí)現(xiàn)方法研究，材料/結(jié)構(gòu)一體化精確造技術(shù)研究，以及器械可靠性及服役性能理論研究，以期解決精準(zhǔn)微創(chuàng)器械的界面問題、設(shè)計(jì)與制造問題。研究團(tuán)隊(duì)在相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)方面開展了系統(tǒng)研究，研究成果在國際重要刊物或有重要影響的國際會(huì)議上發(fā)表論文145篇，其中在《Nature》和《Science》期刊分別發(fā)表1篇論文。

成功研制了具有剛度可控特征的自然腔道手術(shù)器械，主要技術(shù)指標(biāo)為外徑20mm，雙4.7 mm工具腔道，可實(shí)現(xiàn)180°擺動(dòng)，具有剛度可控功能，并完成系列動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

具有剛度可控特征的自然腔道手術(shù)器械

通過探索微創(chuàng)器械設(shè)計(jì)理論與制造新原理，提出了柔性器械設(shè)計(jì)理論與方法，促進(jìn)了醫(yī)工交叉融合，提供了精準(zhǔn)手術(shù)操作工具，對(duì)滿足我國微創(chuàng)手術(shù)量大、面廣的臨床器械需求，達(dá)到精準(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)操作，以提高患者治療質(zhì)量，促進(jìn)國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高全民健康具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。