蒋灿华（左5）与各方代表一起完成设备中试评审 湘雅医院 供图
150公斤载荷、钻石锥强压，才能在钛合金上留下痕迹，钛合金条凭借其卓越的生物相容性与较高的硬度优势，在骨科手术中应用极为广泛。为了适合人体结构，这些钛合金条常常需要弯曲成特定的形状。长期以来，在外科手术中，对高硬度的钛合金条进行成形，一直都是靠医生手工来完成。
今年5月，能够提速手术、实现钛合金精准成形的机器人完成了科研成果转化，转化金额达5160万元。该医用植入物等材成形机器人由中南大学湘雅医院、中国科学院宁波材料技术与工程研究所（宁波慈溪生物医学工程研究所）自主研制，从专用弯折臂等核心组件到操控软件的代码均由研发团队设计研制。该机器人成形的钛合金植入物能够达到医用个性化定制要求。
特约记者 严丽 通讯员 王倩
“由于钛合金条成形困难，过去我们每次手术都耗费较多的时间。”项目联合创始人、中南大学湘雅医院（以下简称湘雅医院）口腔医学中心主任蒋灿华说，为了走出“手工作坊”模式，团队试过术前成形，试过3D打印……但能实现成本低、精度高、成品快“一箭三雕”的现成手段却难觅踪影。
既然没有，就自己造！经过多次调研，蒋灿华联系上材料领域的权威科研机构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），历经10年探索，辗转长沙、宁波、上海，最终实现了自主医学装备的“人无我有”。
模仿人手勇闯“无人区”
“一根20厘米长的钛合金条，按照患者CT扫描图完成相似形弯折”。接到课题任务时，宁波材料所的工程师很快就给出第一版草图。在他们看来，控制好方向、让足够马力的电机施加弯折力，由机器完成这项任务并不难。
“第一版草图，在好几个自由度上是达不到的。”项目联合创始人、湘雅医院副教授梁烨回忆，尽管第一版方案考虑了立体空间3个维度的形变路径，但对扭拧、弯曲、挤压等不同手法，以及钛合金回弹问题都没给出相应的解决方案。
“这是因为工程师不清楚医生在手术中究竟做了什么。”蒋灿华说，多次电话沟通“不解渴”，他就带着钛合金条从湖南长沙到宁波材料所给他们演示说明，但由于缺少手术场景，工程师们对这项任务的理解还是非常有限。
来一次手术观摩吧！面对医学、工学理解上的巨大“沟壑”，双方不约而同决定前往手术室统一思路。就这样，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。手术室中患者的下颌骨在电脑里被三维重建，拼接所用骨头的每一个削切角度都被精准计算过，只等固定它们的钛合金条被“凹出”完美贴合的形状。
在观摩了医生的当场示范后，工程师们也对着一个3D打印的模型开始“手作”。“手握弯制钳，才发现这根小条的弯折不仅费力，而且要恰到好处。”项目联合创始人、宁波材料所左国坤研究员带着工程师进行了详细讨论，如果为了防止回弹，在某一个点上弯“过了”，其他的部分就会翘起来。反复多次尝试的话，它又会折断。
工程师们终于明白，这一环节的自动化探索迄今仍是“无人区”的原因。“模仿人手，并且要更有力、更精准才有可能成功。开始我们找了几个进口的夹持组件，都无法在小尺寸下实现力学要求。”宁波材料所高级工程师张佳楫说，为了让机器最大可能地实现人手灵活度和自由度，团队几易设计稿，设计优化设备结构，确保它能够完成复杂施力控制，同时尽可能小型化。最终，团队通过与国内供应商联动优化，才获得了“定制版”的夹持组件。
“除了对性能有要求的电控部件，还有许多结构件也要定制。我们曾经遇到过委托加工10个组件，回来组装时发现只有1个能用。”梁烨说，为了获得合格组件，团队求助了国家级专精特新重点“小巨人”企业宁波蓝野医疗，在对方的帮助下对机器人部分核心组件开展了详细的质控测量，终于完成设计安装。多方协作下，国际上第一台七轴五自由度的等材成形机器人终于有了“真身”。
传递医生“感知力”注入“灵魂”
“钛合金会回弹，让机器施加一个达到目标形变的力需要建模。”有着机器人编程经验的梁烨明白，由于实际测量具有模糊性，要严格构建一个涵盖回弹系数的算法非常困难，不同角度的回弹幅度不同，多个空间角度叠加后的回弹更加难以计算和预估。
此外，由于是一个非规则图形，植入物形变的测量也很难，甚至找不到可测量的“标准面”。形变的参数难以量化，就很难给机器人下指令，它无法知道弯折到什么程度进行下一步。
“我一直在琢磨，为什么资深医生会比新手医生完成得好。”梁烨说，自己操作成形时会有力的感觉，甚至施力速度的快慢都能够影响贴合度。
梁烨跟团队讲出了将机器人计算参数从形变改为感知的想法。基于此，合作双方讨论出初步方案：要通过电流和力的感知，结合算法、模型的构建，让机器人获得外科医生的“感知力”。
正当项目组犯难如何让钢铁之躯具有外科医生的力量和感知时，湘雅医院出台了“福庆人才”培养计划。在这项计划的支持下，梁烨暂时放下临床工作，转战宁波。“医生加入团队，共同突破工程技术瓶颈是非常有效的医工产品研发路径。”左国坤介绍，合作团队瞄准同一目标迅速集结起医生、机械工程师、算法工程师等跨学科的力量。
“我们最终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、电流等参数预估它能够达成的形变结果，以实现控制。”梁烨表示，回传的电信号成为控制中依托的核心数据。
为了让耗材一次成形，团队为机器人注入智能化“灵魂”。“这就好比一个魔方，有的人看一眼就知道如何拧转就能将其最短时间内复原。”蒋灿华说，团队开发出元胞孪生辅助技术，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。
在多家医院的千余台手术中，这套机器人系统已经证明了自己，助力团队形成了引领全球的数字化颌面精准整复“中国方案”。
融入现代工业机器人“化茧成蝶”
如何才能让机器人系统成为可量产、可复制、可造福患者的产品？蒋灿华带着团队参加不同的展览、展会。宁波慈北医疗器械有限公司是国产植入物头部生产企业，在交流中非常看好这项技术，愿意在量产后实现产品推广。但由谁来实现机器的量产，又让团队犯了难。“科研样机的每个螺丝、每个零部件、每行代码都是教授、博士、高工亲力亲为完成。”左国坤说，要走出科研阶段，真正成为产品，就必须借助现代工业强大的高效生产线。
为了实现量产，团队开始在工业制造企业中继续寻找合作伙伴。“相比医疗企业，工业制造型企业控制成本的能力更具优势。”梁烨说起“跨圈”合作的经历，如同一场奇幻探险，“收获很大，但进展却很缓慢。医学装备一直都具有较高的技术壁垒，大多数工业制造企业拿不准项目的可持续性，不敢轻易尝试。”
经过多轮的走访，团队终于悟出“症结”：需要专业评价背书。中南大学转化服务再次发力，借助王松灵院士专家工作站“成果转化基地”，项目获得国家级第三方成果鉴定，评价为“达到国际领先水平”。
从追着企业跑，到审慎挑选合作企业，好成果终于迎来“好婆家”。2024年10月，项目组与华荣科技股份有限公司达成初步合作意向，决定先合作完成中试样机的试产，再进行正式签约。由于机器人由多个科研单位合作研发，各单位积极创新转化流程，委派梁烨作为转化项目负责人。
借助华荣股份强大的生产能力，过去一等就是数个月的特制零部件，在现代数字化生产线上只需几个小时就能用上。短短3个月，机器人2.0便顺利完成中试熟化，具备了量产条件。“它比第一代效率更高，成本更低，更符合市场预期。”蒋灿华说，“当我们的设计和优化达到极致，中国制造即便被模仿也无法被超越。”蒋灿华坚信，依托中国制造业门类齐全、产业链完整的强大支撑，等材成形机器人的应用前景必将愈发广阔。