交互感知連續體機器人，哈工大團隊首創微創內耳手術新范式

“首創經自然腔道內耳微創手術，開啟精準治療新路徑。

近日，在國家重點研發計劃支持下，在哈爾濱工業大學機器人技術與系統全國重點實驗室趙杰教授指導下，項目負責人張赫教授帶領團隊原創性提出經耳道自然腔道入路的內耳機器人微創手術新術式，研制的內耳手術機器人系統（DS-MDCR）實現了微創的內耳藥物精準注射和淋巴液微創采樣。該成果突破了狹小、深部、曲折解剖空間下手術機器人靈巧操作、智能感知與精準控制等關鍵技術瓶頸，首次為內耳疾病建立了“經自然腔道、微創精準干預”的全新技術路徑。

傳統內耳手術雖然為耳科疾病提供了治療手段，卻始終存在一個致命短板——這些方案要么需要磨開顳骨、創傷巨大，要么只能全身給藥"大水漫灌"，藥物被血-迷路屏障擋在門外。面對突發性耳聾、梅尼埃病等內耳疾病，醫生可能反復嘗試鼓室注射，藥物卻很快被咽鼓管清除，真正能精準送達耳蝸的方法，至今仍停留在臨床前研究階段。

與傳統內耳手術創傷大、恢復慢、預后受限等問題相比，這一源頭創新成果依托耳道這一人體自然腔道完成手術入路，顯著減少組織損傷，術后愈合狀態更好，有望打破長期以來內耳手術“高創傷、高風險”的治療局限，推動相關治療模式實現變革性升級。該技術可進一步結合基因治療手段，為先天性耳聾等兒童內耳疾病的早期精準干預提供關鍵支撐，有望開辟從早診斷、早干預到術后無創治療的新路徑。相關研究成果以《Interaction-aware dexterous robot for minimally invasive transcanal inner ear interventions》為題發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

哈工大機器人技術與系統全國重點實驗室為論文第一通訊單位。哈工大機電工程學院張赫教授、北京航空航天大學張天雪助理教授、上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院賈歡主任為論文共同通訊作者。哈工大博士研究生李海銘、高培源和上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院主治醫師譚皓月為論文共同第一作者。哈爾濱工業大學、上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院、北京航空航天大學、中山大學深圳校區、山東大學等單位學者參與本項研究工作。

01.

三合一架構：不是輔助工具，是"能看、能感、能操作"的一體化手術平臺

提到耳科手術機器人，你可能會想到輔助人工耳蝸植入的鉆骨系統，或者幫醫生扶穩內窺鏡的機械臂。但這些方案始終繞不開一個根本性的設計矛盾：要小型化，就犧牲靈活性；要多功能，就做不小。

張赫教授團隊的整體思路是將導航、視覺和手術操作融合，并加入力感知反饋機制，構建起完整的閉環手術體系，讓機器人在狹窄耳道中實現精準操作。

整個系統由三個核心模塊協同支撐：雙段連續體機構負責靈活導航和姿態調整，集成內窺鏡提供全程實時視覺，FBG力感知微針完成精密穿刺和力學反饋。三個模塊在手術過程中動態交互，形成了一套完整的"導航-觀察-操作-感知"閉環流程。

這臺DS-MDCR的核心參數令人印象深刻：直徑僅2毫米，長度不到7毫米，由一系列空心鞍形關節串聯而成，通過外部拮抗繩索驅動實現6個自由度的精密運動。它的最大彎曲角度達到±136°，最小彎曲半徑僅1.9毫米，可以在耳道內靈活擺出C形和S形的三維構型，繞過聽小骨等關鍵結構，精準抵達圓窗膜。

DS-MDCR（Dual-Segment Miniature Dexterous Continuum Robot）的整體系統配置

02.

鞍形關節+運動解耦：在"螺螄殼里做道場"

關鍵在于"各彎各的，互不干擾"——近端和遠端兩段之間的位置耦合誤差僅12±9微米，真正實現了運動解耦。為了解決繩索驅動固有的非線性遲滯問題，團隊還開發了一套混合補償策略，將最大跟蹤誤差降至0.82°。同時，通過張力控制實現可調剛度——在約50倍自重的載荷下，遠端尖端偏移僅0.18毫米，確保了在組織接觸時的位置穩定性。

要在2-5毫米寬的彎曲腔道里完成精密操作，機器人的彎曲性能是生死線。

不同于傳統連續體機器人依賴柔性材料或剛性鉸鏈，DS-MDCR采用了一種獨特的鞍形關節設計。這些關節由不銹鋼精密加工而成，彎曲剛度高達595 N/mm，既能抵抗繩索張力引起的變形，又能通過正交堆疊實現雙段獨立彎曲。

在實際手術中，機器人需要先以C形彎曲通過鼓膜切口進入中耳腔，再以S形彎曲繞過聽小骨抵達圓窗龕——整個過程中，近端彎曲負責"入門"，遠端彎曲負責"瞄準"，兩段獨立控制、互不干擾，就像一只能在狹窄管道里靈活轉彎的微型蛇。

DS-MDCR的設計與性能表征

03.

FBG力感知微針：讓醫生"閉著眼也知道扎到哪了"

圓窗膜的穿刺是整個手術中最兇險的一步。這層膜極其脆弱，穿刺角度、深度、力度稍有偏差，就可能造成不可逆的聽力損失。而在狹窄的耳道深處，內窺鏡的視野存在盲區，醫生不可能完全依賴視覺判斷。

DS-MDCR的解決方案是：給微針裝上"觸覺"。

團隊將FBG光纖與金屬微針集成，建立了波長偏移與軸向力之間的線性映射關系，力分辨率約1.0毫牛。在豚鼠顳骨離體實驗中，系統清晰捕捉到了穿刺全過程的力學特征：初始接觸時力值較低，隨膜變形逐漸升高；穿透圓窗膜時力值約20.7毫牛；若針尖誤觸圓窗龕骨壁，力值會驟升至約43.7毫牛——是穿膜力的兩倍，且加載速率明顯更高。

這種截然不同的力學信號，為醫生提供了關鍵的機械反饋：即使看不清，也能通過力信號判斷針尖是在穿膜、還是碰到了骨壁，從而及時調整，避免損傷。這一過程類似于具身智能中的"行動中反思"——機器人在執行前就能通過力覺預判風險，而非盲目試錯。

具備交互狀態感知的獨立自由度穿刺微針系統

04.

從尸體標本到活體動物：全流程驗證，聽力幾乎零損傷

團隊設計了兩項遞進式驗證實驗，分別面向可行性驗證與完整手術范式驗證，全面考驗機器人在真實解剖環境中的表現。

人類尸體頭標本實驗：跨越解剖障礙，驗證路徑可行性

團隊首先在4例人類尸體頭標本上進行了可行性驗證。在內窺鏡引導下，DS-MDCR經耳道進入，通過鼓膜切口，以S形彎曲路徑繞過中耳骨性障礙，成功完成了所有標本的圓窗膜穿刺。

術中繩索張力監測提供了一個巧妙的安全指標：機器人與鼓膜接觸/脫離時會產生明顯的張力變化，而在中耳腔內運動時未出現異常波動——說明機器人成功避開了聽小骨等關鍵結構。

人體頭部標本內耳微創穿刺

犬類活體實驗：首次天然腔道活體內耳介入

隨后，團隊在5只犬類活體模型上完成了完整的手術范式驗證——這也是據團隊所知，首次通過自然腔道實現的活體機器人內耳介入（采樣+注射）。機器人經耳道遙操作抵達圓窗膜，完成穿刺后，成功進行了外淋巴液微量取樣和耳蝸內釓造影劑注射。數字減影血管造影（DSA）實時顯示了造影劑在耳蝸內的連續分布，證實了注射的有效性。

術后結果令人振奮：聽力方面，術后30天隨訪聽覺腦干反應閾值偏移僅1±4.2 dB，幾乎可以忽略；鼓膜切口術后第7天完全愈合；圓窗膜穿刺點術后第1天即愈合，30天后共聚焦顯微鏡和H&E染色切片確認膜結構完整；耳蝸基底膜完整，內耳無局部炎癥反應。

值得一提的是，同一操作者的手術時間從首次尸體實驗的12.3分鐘縮短到后期動物實驗的約4分鐘，展現出良好的學習曲線和臨床可及性。

犬模型體內實驗：經耳道低損傷機器人采樣與注射技術（TARGET）

05.

結語與未來

DS-MDCR的誕生，是國家重點研發計劃持續支持下的一項里程碑式突破。從微型連續體機構的創新設計，到力感知微針的精密集成，再到活體動物模型的全流程驗證，每一步關鍵技術的攻克都離不開國家層面對手術機器人前沿方向的戰略布局和長期投入。

可以說，這項成果重新定義了內耳手術的范式——從"開顱磨骨"的重創手術，轉向通過天然腔道、集導航-視覺-操作-感知于一體的精準微創介入。它不僅是一項技術突破，更是我國在微創手術機器人領域從"跟跑"邁向"領跑"的生動注腳。

未來，團隊計劃在國家重點研發計劃的持續支持下，引入半自主輔助功能、增強現實導航界面，以及多模態感知融合，進一步提升手術的智能化水平。同時，研究還將擴大樣本量，在疾病模型上驗證療效，推動這一技術從實驗室走向臨床，讓更多內耳疾病患者受益。

當一根2毫米的機器人能在耳道深處完成曾經不可能的精密操作，它帶來的不只是技術指標的突破，更是對"微創"二字的重新定義——真正的微創，是讓天然通道成為手術入口，讓患者幾乎感受不到手術曾經發生過。

致謝：本項目同時得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、黑龍江省自然科學基金杰出青年項目、黑龍江省重點研發計劃項目、北京航空航天大學“雙一流”專項基金、上海市耳鼻疾病轉化醫學重點實驗室、上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院交叉學科研究項目資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72398-5