具有优良生物兼容性和高硬度特点的钛合金条，被广泛应用于骨科手术中。长期以来，其弯折成形一直靠医生在手术过程中手工完成，耗时长、难度大。

如今，能够替代这一手工流程的机器人，经长沙、宁波、上海三地孵化成功问世。今年5月，全球首创医用植入物等材成形机器人成果转化落地，从专用弯折臂等核心设备，到操控软件，均由我国研发团队自主研制。它可根据个性化定制要求，实现钛合金精准成形，误差小于1毫米。

“我们历时十载、辗转‘三迁’，让机器人练就一双‘巧手’。”中南大学湘雅医院口腔医学中心主任蒋灿华告诉科技日报记者，他们携手中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称“宁波材料所”）等多家单位，组建研发团队矢志攻关，最终实现这一医学装备的“人无我有”。

模仿人手，勇闯“无人区”

骨科手术用到的钛合金条，要求成本低、精度高、成品快。为了走出“手工作坊”模式，此前，蒋灿华与团队做过很多尝试，效果一直差强人意。

“我们一开始没想到会这么难。”宁波材料所研究员左国坤回忆，他们与湘雅医院远程沟通后，很快给出第一版草图。在工程师们看来，只要控制好方向，再让马力足够的电机施加弯折力，让钛合金精准成形并不难。

看到草图后，湘雅医院副教授梁烨却高兴不起来：“设计虽然考虑了不同维度的形变路径，但是无法‘复刻’扭拧、弯曲、挤压等复杂手法，钛合金回弹的问题也没能解决，远达不到要求。”

多次电话沟通未果，蒋灿华意识到问题的根源——由于缺少手术场景，工程师不清楚手术中医生究竟是怎么做的，必须让工程师来现场观摩！

于是，团队开始了“第一迁”，湘雅医院的口腔数字重建工作室里多了几位来自宁波的工程师。

观摩了医生的现场示范后，宁波材料所高级工程师张佳楫明白了钛合金条机器成形为什么是“无人区”。这一过程不仅费力，力道还必须恰到好处。例如，为了防止钛合金条变形后回弹，往往要在某个位置多用点力，但是这个力一旦用过了，又会导致钛合金条其他部位翘起来。而多次尝试的话，它又会被折断。

“模仿人手是成功的关键。”张佳楫说，只有让机器人拥有像人手般的灵活度和自由度，才能精准“复刻”医生的手法。为此，团队几易设计稿，不断优化设备结构，确保机器人能够完成复杂施力控制，同时尽可能让机器人小型化。

设计稿经反复打磨逐渐成熟时，制造机器人的元器件又问题频出。“许多结构件是精密定制的，（我们）曾经遇到过委托加工10个件，回来组装时却只有1个能用的情况。”梁烨说。

为确保元器件合格，团队多方寻找企业“取经”，最终在宁波蓝野医疗器械有限公司的帮助下，对机器人部分核心组件开展质控测量，完成了机器人的设计安装。

至此，世界首台七轴五自由度等材成形机器人初露端倪。

实时仿真，培养“感知力”

由于钛合金条会回弹，要让机器人精准施加一个达到目标形变的力，还需要进行复杂的建模。

“要构建一个涵盖各个方位回弹系数的算法非常困难。”梁烨说，材料的不同部位、不同角度回弹幅度各不相同，多个空间、角度叠加后的回弹更难以计算和预估。

此外，钛合金植入物是一个非规则图形，其形变参数难以量化，因此很难给机器人下达明确的工作指令。一时间，研发工作再次进入瓶颈期。

“我一直在琢磨，为什么资深医生会比新手医生完成得更好。”梁烨试图从自己的经验中找答案。他总结出，自己在操作时对施加力是有感知的——施力的大小与快慢会根据植入物的贴合度实时变化。

“不能给机器人设定固定用力方案，而是需要让它具备与医生相似的感知能力。”梁烨笑道，这就犹如给机器人注入能够自主思考的“灵魂”。

能不能将机器人算法中的解算目标从形变改为力量感知呢？梁烨把这个想法和团队分享后，大家反复研讨，制定出初步方案：通过力和电流的感知，结合算法及模型的构建，让机器人获得医生的“感知力”。

为了快速集结医生、机械工程师、算法工程师等跨学科力量，在湘雅医院的支持下，梁烨暂时放下长沙的临床工作，开启了团队的“第二迁”，转战宁波。

“我们给机器人设计了一整套力量感知装置，通过监测电机、机械臂的力和电流等参数，预估机器人能够达成的形变效果，以实现控制。”左国坤解释，传感器会在施力过程中实时回传电信号，描述植入物在贴合时遇到的障碍或阻力，机器人则根据回传信号的强弱仿真计算，调整用力角度与大小。

为了让耗材一次成形，团队还为机器人开发了元胞孪生辅助技术，让机器人对钛合金条每一个点的轨迹进行模拟、评估，规划最优弯折路径，实现植入物等材成形的数字化、智能化。

获取感知能力后，临床验证是成败的关键。“我们使用包含机器人在内的数字化诊疗技术，先后在多地的千余台手术中进行了临床应用，事实证明它不但可以，而且还很行！”梁烨告诉记者。

“化茧成蝶”，走进手术室

科研样机的每个螺丝、每个零部件、每行代码，都是经工程师之手研制而成。要想让机器人成果转化落地，就必须让生产融入工业化流水线。

为了让机器人走出实验室，走向全国各地手术室，蒋灿华带着团队四处奔波，在不同展览展会上寻找合作企业。回忆转化之初，蒋灿华深有感触：“这一步走得不容易。”

历时数月的寻找，从追着企业跑，到审慎挑选合作企业，他们终于给成果找到了“好婆家”。2024年10月，团队与位于上海的华荣科技股份有限公司（以下简称“华荣股份”）达成意向，决定先合作完成中试样机生产，再进行签约。作为转化项目负责人，梁烨带着机器人一起踏上“第三迁”——前往上海完成中试。

一个寒冬的深夜，机器人2.0的硬件控制终于调通，大家打算将生产线上的夹头装上，运行一遍就回去休息。“安装时突然发现夹头无法就位，我们一时也找不出哪个环节出了差错。”梁烨当即拍下照片发到工作群里，想着第二天和企业方一起讨论解决。

令梁烨没想到的是，第二天清早他刚到现场，就看见桌上已经整齐摆放了8个不同的夹头，每个都从不同角度，对可能出现的问题分别进行故障排查。“我们真正见识到了企业的生产效率！”梁烨感叹道，过去一等就是数月的特制零部件，在华荣股份只需几个小时就能生产出来。

“设备制造业的突破式创新要落地，离不开产学研的‘拧绳’式合作。”华荣股份总经理李江说，实验室阶段的任务是让创新“从无到有”，而在产品化阶段，企业要做的就是让创新“从有到精”。

仅3个月，机器人2.0便顺利下线。产品化的它比第一代效率更高、成本更低，也更符合市场预期。目前团队已与宁波慈北医疗器械有限公司开展战略合作，共同推动机器人应用到更多手术中。

“在门类齐全、产业链完整的中国制造业支撑下，这台机器人的生产与应用之路将越走越宽。”蒋灿华告诉记者，团队仍在不断优化设计、完善功能、迭代版本，以期形成引领全球的数字化颌面精准整复的“中国方案”。（科技日报记者张佳星）