交互感知连续体机器人，哈工大团队首创微创内耳手术新范式——获登Nature子刊

发布时间：2026-05-01来源：机器人大讲堂

“ 首创经自然腔道内耳微创手术，开启精准治疗新路径。

传统内耳手术虽然为耳科疾病提供了治疗手段，却始终存在一个致命短板——这些方案要么需要磨开颞骨、创伤巨大，要么只能全身给药"大水漫灌"，药物被血-迷路屏障挡在门外。面对突发性耳聋、梅尼埃病等内耳疾病，医生可能反复尝试鼓室注射，药物却很快被咽鼓管清除，真正能精准送达耳蜗的方法，至今仍停留在临床前研究阶段。

近日，在国家重点研发计划支持下，在哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室赵杰教授指导下，项目负责人张赫教授带领团队原创性提出经耳道自然腔道入路的内耳机器人微创手术新术式，研制的内耳手术机器人系统（DS-MDCR）实现了微创的内耳药物精准注射和淋巴液微创采样。该成果突破了狭小、深部、曲折解剖空间下手术机器人灵巧操作、智能感知与精准控制等关键技术瓶颈，首次为内耳疾病建立了“经自然腔道、微创精准干预”的全新技术路径。

与传统内耳手术创伤大、恢复慢、预后受限等问题相比，这一源头创新成果依托耳道这一人体自然腔道完成手术入路，显著减少组织损伤，术后愈合状态更好，有望打破长期以来内耳手术“高创伤、高风险”的治疗局限，推动相关治疗模式实现变革性升级。该技术可进一步结合基因治疗手段，为先天性耳聋等儿童内耳疾病的早期精准干预提供关键支撑，有望开辟从早诊断、早干预到术后无创治疗的新路径。相关研究成果以《Interaction-aware dexterous robot for minimally invasive transcanal inner ear interventions》为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

哈工大机器人技术与系统全国重点实验室为论文第一通讯单位。哈工大机电工程学院张赫教授、北京航空航天大学张天雪助理教授、上海交通大学医学院附属第九人民医院贾欢主任为论文共同通讯作者。哈工大博士研究生李海铭、高培源和上海交通大学医学院附属第九人民医院主治医师谭皓月为论文共同第一作者。哈尔滨工业大学、上海交通大学医学院附属第九人民医院、北京航空航天大学、中山大学深圳校区、山东大学等单位学者参与本项研究工作。

01.

三合一架构：不是辅助工具，是"能看、能感、能操作"的一体化手术平台

提到耳科手术机器人，你可能会想到辅助人工耳蜗植入的钻骨系统，或者帮医生扶稳内窥镜的机械臂。但这些方案始终绕不开一个根本性的设计矛盾：要小型化，就牺牲灵活性；要多功能，就做不小。

张赫教授团队的整体思路是将导航、视觉和手术操作融合，并加入力感知反馈机制，构建起完整的闭环手术体系，让机器人在狭窄耳道中实现精准操作。

整个系统由三个核心模块协同支撑：双段连续体机构负责灵活导航和姿态调整，集成内窥镜提供全程实时视觉，FBG力感知微针完成精密穿刺和力学反馈。三个模块在手术过程中动态交互，形成了一套完整的"导航-观察-操作-感知"闭环流程。

这台DS-MDCR的核心参数令人印象深刻：直径仅2毫米，长度不到7毫米，由一系列空心鞍形关节串联而成，通过外部拮抗绳索驱动实现6个自由度的精密运动。它的最大弯曲角度达到±136°，最小弯曲半径仅1.9毫米，可以在耳道内灵活摆出C形和S形的三维构型，绕过听小骨等关键结构，精准抵达圆窗膜。

DS-MDCR（Dual-Segment Miniature Dexterous Continuum Robot）的整体系统配置

02.

鞍形关节+运动解耦：在"螺蛳壳里做道场"

要在2-5毫米宽的弯曲腔道里完成精密操作，机器人的弯曲性能是生死线。

不同于传统连续体机器人依赖柔性材料或刚性铰链，DS-MDCR采用了一种独特的鞍形关节设计。这些关节由不锈钢精密加工而成，弯曲刚度高达595 N/mm，既能抵抗绳索张力引起的变形，又能通过正交堆叠实现双段独立弯曲。

关键在于"各弯各的，互不干扰"——近端和远端两段之间的位置耦合误差仅12±9微米，真正实现了运动解耦。为了解决绳索驱动固有的非线性迟滞问题，团队还开发了一套混合补偿策略，将最大跟踪误差降至0.82°。同时，通过张力控制实现可调刚度——在约50倍自重的载荷下，远端尖端偏移仅0.18毫米，确保了在组织接触时的位置稳定性。

在实际手术中，机器人需要先以C形弯曲通过鼓膜切口进入中耳腔，再以S形弯曲绕过听小骨抵达圆窗龛——整个过程中，近端弯曲负责"入门"，远端弯曲负责"瞄准"，两段独立控制、互不干扰，就像一只能在狭窄管道里灵活转弯的微型蛇。

DS-MDCR的设计与性能表征

03.

FBG力感知微针：让医生"闭着眼也知道扎到哪了"

圆窗膜的穿刺是整个手术中最凶险的一步。这层膜极其脆弱，穿刺角度、深度、力度稍有偏差，就可能造成不可逆的听力损失。而在狭窄的耳道深处，内窥镜的视野存在盲区，医生不可能完全依赖视觉判断。

DS-MDCR的解决方案是：给微针装上"触觉"。

团队将FBG光纤与金属微针集成，建立了波长偏移与轴向力之间的线性映射关系，力分辨率约1.0毫牛。在豚鼠颞骨离体实验中，系统清晰捕捉到了穿刺全过程的力学特征：初始接触时力值较低，随膜变形逐渐升高；穿透圆窗膜时力值约20.7毫牛；若针尖误触圆窗龛骨壁，力值会骤升至约43.7毫牛——是穿膜力的两倍，且加载速率明显更高。

这种截然不同的力学信号，为医生提供了关键的机械反馈：即使看不清，也能通过力信号判断针尖是在穿膜、还是碰到了骨壁，从而及时调整，避免损伤。这一过程类似于具身智能中的"行动中反思"——机器人在执行前就能通过力觉预判风险，而非盲目试错。

具备交互状态感知的独立自由度穿刺微针系统

04.

从尸体标本到活体动物：全流程验证，听力几乎零损伤

团队设计了两项递进式验证实验，分别面向可行性验证与完整手术范式验证，全面考验机器人在真实解剖环境中的表现。

人类尸体头标本实验：跨越解剖障碍，验证路径可行性

团队首先在4例人类尸体头标本上进行了可行性验证。在内窥镜引导下，DS-MDCR经耳道进入，通过鼓膜切口，以S形弯曲路径绕过中耳骨性障碍，成功完成了所有标本的圆窗膜穿刺。

术中绳索张力监测提供了一个巧妙的安全指标：机器人与鼓膜接触/脱离时会产生明显的张力变化，而在中耳腔内运动时未出现异常波动——说明机器人成功避开了听小骨等关键结构。

人体头部标本内耳微创穿刺

犬类活体实验：首次天然腔道活体内耳介入

随后，团队在5只犬类活体模型上完成了完整的手术范式验证——这也是据团队所知，首次通过自然腔道实现的活体机器人内耳介入（采样+注射）。机器人经耳道遥操作抵达圆窗膜，完成穿刺后，成功进行了外淋巴液微量取样和耳蜗内钆造影剂注射。数字减影血管造影（DSA）实时显示了造影剂在耳蜗内的连续分布，证实了注射的有效性。

术后结果令人振奋：听力方面，术后30天随访听觉脑干反应阈值偏移仅1±4.2 dB，几乎可以忽略；鼓膜切口术后第7天完全愈合；圆窗膜穿刺点术后第1天即愈合，30天后共聚焦显微镜和H&E染色切片确认膜结构完整；耳蜗基底膜完整，内耳无局部炎症反应。

值得一提的是，同一操作者的手术时间从首次尸体实验的12.3分钟缩短到后期动物实验的约4分钟，展现出良好的学习曲线和临床可及性。

犬模型体内实验：经耳道低损伤机器人采样与注射技术（TARGET）

05.

结语与未来

DS-MDCR的诞生，是国家重点研发计划持续支持下的一项里程碑式突破。从微型连续体机构的创新设计，到力感知微针的精密集成，再到活体动物模型的全流程验证，每一步关键技术的攻克都离不开国家层面对手术机器人前沿方向的战略布局和长期投入。

可以说，这项成果重新定义了内耳手术的范式——从"开颅磨骨"的重创手术，转向通过天然腔道、集导航-视觉-操作-感知于一体的精准微创介入。它不仅是一项技术突破，更是我国在微创手术机器人领域从"跟跑"迈向"领跑"的生动注脚。

未来，团队计划在国家重点研发计划的持续支持下，引入半自主辅助功能、增强现实导航界面，以及多模态感知融合，进一步提升手术的智能化水平。同时，研究还将扩大样本量，在疾病模型上验证疗效，推动这一技术从实验室走向临床，让更多内耳疾病患者受益。

当一根2毫米的机器人能在耳道深处完成曾经不可能的精密操作，它带来的不只是技术指标的突破，更是对"微创"二字的重新定义——真正的微创，是让天然通道成为手术入口，让患者几乎感受不到手术曾经发生过。

致谢：本项目同时得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、黑龙江省自然科学基金杰出青年项目、黑龙江省重点研发计划项目、北京航空航天大学“双一流”专项基金、上海市耳鼻疾病转化医学重点实验室、上海交通大学医学院附属第九人民医院交叉学科研究项目资助。

文章的整体工作总结

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72398-5

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