傳染病房護理機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

龔道雄， 裴夢瑤， 于建均

(1.北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部， 北京 100124； 2.計算智能與智能系統(tǒng)北京市重點實驗室， 北京 100124)

烈性傳染病具有傳染性強、致死率高的特點. 即使是在科學(xué)高度發(fā)展的今天，烈性傳染病仍然會頻繁爆發(fā). 近20年來，傳染性非典型肺炎(SARS, 2002)、中東呼吸綜合征(MERS, 2012)、禽流感(H7N9, 2013)、埃博拉(Ebola, 2014)、新冠病毒(COVID- 19, 2019)等多種烈性傳染病接踵而至，對人民的生命健康和社會的經(jīng)濟發(fā)展帶來了極大的危害. 防控傳染病蔓延的重中之重在于保護醫(yī)護人員的健康. 醫(yī)護人員奮戰(zhàn)在抗疫最前線, 時刻暴露在高濃度的病毒之下，被病毒感染的概率極大. 一旦醫(yī)護人員短缺，傳染病患者就得不到充分和及時的救治，相應(yīng)的康復(fù)速度和治愈率就會大受影響，從而帶來災(zāi)難性的后果[1].

采用機器人代替人進行傳染病房的醫(yī)療和護理工作，可以有效地減輕醫(yī)護人員的工作負擔(dān)，減少醫(yī)護人員暴露感染的風(fēng)險，提高醫(yī)護工作的效率和質(zhì)量，從而最終提高感染病人的生存概率. 因此，傳染病房護理機器人的研究和應(yīng)用具有非常重要的社會意義和醫(yī)療價值. 本文擬就各國醫(yī)護機器人的應(yīng)用和研究進行綜述.

1 傳染病房護理機器人的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

護理機器人的研究引起了世界各國的重視. 美國國家自然科學(xué)基金從2014年起資助以護理為中心的機器人(nursing-centered robotics)研究項目[2]，在2016年又發(fā)布機器人路線圖計劃，特別強調(diào)了發(fā)展醫(yī)療機器人的重要性[3]. 中國在2016年發(fā)布“共融機器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計劃，醫(yī)療康復(fù)機器人是主要內(nèi)容之一. 在日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(The Ministry of Economy, Trade and Industry，METI) 委托下，日本醫(yī)學(xué)研究開發(fā)署(Japan Agency for Medical Research and Development)推出護理機器人開發(fā)和標(biāo)準化(The Development and Standardization of Robotic Devices for Nursing Care)研究計劃[4]，提出要促進護理機器人的研發(fā)工作，在2018—2021年期間對輔助轉(zhuǎn)移機器人(transfer aids)、輔助行走機器人(mobility aids)、輔助監(jiān)控機器人(monitoring aids),以及輔助護理機器人(assist in nursing care services)等進行重點研究.

1.1 護理機器人在烈性傳染病疫情中的重要應(yīng)用

根據(jù)各國新聞媒體報道，世界各國有多款護理機器人投入到此次抗擊新冠疫情的一線，在醫(yī)院的隔離病房、ICU、手術(shù)室、發(fā)熱門診中承擔(dān)病房消毒、藥品和食物運輸，以及體溫、血壓等重要病征信號的監(jiān)測工作.

美國斯坦福健康中心(Stanford Health Care)采用Xenex機器人消殺新冠病毒、諾如病毒、流感病毒、埃博拉病毒及抗藥性細菌MRSA等多種危險的病原體，可以對傳統(tǒng)方法達不到的一些地方進行消毒，從而有效地消除院內(nèi)感染的風(fēng)險[5]；華盛頓州的Providence Regional Medical Center采用Vici護理機器人參與美國第一例新冠患者的治療過程[6-8]，代替護理人員與患者近距離接觸和交流，輔助完成對患者重要生理指標(biāo)的測量和病情診斷.

在中國，武漢中心醫(yī)院等主要醫(yī)院采用TMiRob機器人通過噴灑雙氧水和照射紫外燈的方式進行全天候病區(qū)消毒[9]；上海的CloudMinds機器人結(jié)合5G技術(shù)完成咨詢、消毒、清潔和藥品派送等任務(wù)；OrionStar機器人被用于輔助病情診斷、傳遞藥品和化驗結(jié)果等；深圳第三人民醫(yī)院采用AIMBOT自主移動機器人執(zhí)行消毒任務(wù)；中國科學(xué)院沈陽自動化所與鐘南山院士團隊、新松公司合作研制了咽拭子采樣智能機器人，可以代替護士進行危險的咽拭子采樣工作，該機器人已經(jīng)在廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院和中國醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院分別投入使用[10].

這些護理機器人的有效應(yīng)用，顯著地減輕了醫(yī)護人員的工作負擔(dān)和心理壓力，降低了人際接觸傳染和交叉感染的概率[7,11]，在抗疫救災(zāi)中發(fā)揮了重大作用. 因此，上海交通大學(xué)的楊廣中教授在疫情期間特別提出要在傳染科ICU病房中配置遙操作機器人，讓機器人在醫(yī)療團隊控制下完成特定的護理任務(wù)(比如咽拭子采樣[10])，甚至由機器人完全自主地完成一些任務(wù)[11].

1.2 傳染病房護理機器人的主要功能

SARS爆發(fā)之后，Sun等[12]就提出要研究傳染病房護理機器人. 傳染病房護理機器人用于代替?zhèn)魅静》揽夭》康淖o士承擔(dān)護理職責(zé)[13], 執(zhí)行骯臟、危險、枯燥、繁重的3Ds(dirty, dangerous, and dull)任務(wù)，密切接觸患者，處理污染物，減少護理人員感染的危險，以便醫(yī)護人員能夠騰出精力從事以護理(care)為主的工作. 特別的工作環(huán)境決定了傳染病房護理機器人的特別的功能和特點. 根據(jù)機器人與患者之間的距離、機器人的核心技術(shù)、承擔(dān)的任務(wù)和具備功能不同，可以將傳染病房護理機器人分為如下4類.

1.2.1 物流和消殺機器人

物流和消殺類護理機器人不直接與病人接觸，主要負責(zé)在病房外的物資配送工作以及病區(qū)內(nèi)的消毒工作[14]，其核心技術(shù)是自主定位和導(dǎo)航.

傳染病房劃分為不同的功能區(qū)(緩沖區(qū)、隔離區(qū)、清潔區(qū)等)，并嚴格執(zhí)行消毒和隔離措施[15]. 物流和消殺類機器人在防護物資、食物、藥品、檢驗標(biāo)本等的派送過程中發(fā)揮重要作用[16-19]，Moxi和TUG是其中最有代表性的2款病房物流機器人.

Moxi機器人能夠自主導(dǎo)航，用柔性機械臂和精密機械手進行抓取和放置等操作，主要負責(zé)運送物資，將檢測樣品從病房安全地運送到實驗室，或者從供應(yīng)室領(lǐng)取物品送到指定的病房. 4家醫(yī)院的測試結(jié)果表明，Moxi承擔(dān)的這些單調(diào)重復(fù)的工作，占到護士日常工作量的30%[20]. Moxi機器人一個突出的特點是具有社會智能(social intelligence)[20]，它不僅能夠?qū)W習(xí)并理解護士工作的例行規(guī)程，當(dāng)一名病人出院后，它能夠自動地派送供新病人用的標(biāo)準物資包，拿來干凈床單替換弄臟的床單，而且還能夠移動頭部和LED眼睛和人類示意交流，使人們知道它正在做或?qū)⒁龅氖虑椋屓烁械胶苁孢m并放心地讓它執(zhí)行任務(wù)[21].

TUG是一種醫(yī)院用自主運輸機器人，它通過一個觸摸屏接收醫(yī)護人員的指令，能夠?qū)⒅剡_453 kg的物品運送到指定地點，并在完成任務(wù)后回到指定位置進行充電以等待下一次任務(wù)[22-23]. 目前TUG已經(jīng)在140家醫(yī)院中應(yīng)用，每周可執(zhí)行約5萬次藥物運送任務(wù).

病房物流和消殺是一項非常重要且耗費精力的工作. 傳染病房是高傳染區(qū)域，每日需要進行多次例行消毒. 采用機器人來完成此類任務(wù)，不僅可以顯著減少護士的工作負擔(dān)，讓其有更多的精力投入到更為重要的照料病人的工作中去[2,24-25]，而且可以減少人員在不同功能區(qū)之間的流動，從而減少院內(nèi)傳染，減少病人留院時間，挽救更多的生命[26-28].

1.2.2 監(jiān)測和診斷機器人

在綜合護理服務(wù)系統(tǒng)(integrated nursing care services, INCS)的11項主要護理職責(zé)中，檢測/監(jiān)測(measuring/monitoring)職能排在第一位[29]，是最為重要的護理職責(zé). 監(jiān)測和診斷機器人的核心技術(shù)是遠程呈現(xiàn).

監(jiān)測和診斷機器人在病房內(nèi)和病人近距離進行信息交互，一方面可以作為醫(yī)生和患者之間遠程交流的工具，實現(xiàn)半自主遠程診斷功能，另一方面還可以根據(jù)設(shè)置好的程序執(zhí)行例行病房巡視和支持任務(wù)，檢測傳染病人每天的臨床感染癥候，比如發(fā)炎指標(biāo)(C反應(yīng)蛋白和白血球數(shù)量)、膿毒癥指標(biāo)(體溫升高、血壓變化和呼吸頻率)、體溫、血壓、心率、血氧濃度等生理參數(shù)，以及臨床微生物學(xué)檢查等實驗室指標(biāo)的變化，記錄電子醫(yī)療檔案并將檢測結(jié)果及時通知醫(yī)生[30].

Broadbent等[31]采用iRobi機器人對慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者的狀況進行長達4個月的遠程監(jiān)控，機器人每周進行病情臨床問卷調(diào)查，通過語音提問、觸摸屏答復(fù)的方式獲得病人的反饋，75%的參與者給出了積極的評價. Boumans等[32]采用Pepper人形機器人和病患交流，能夠可靠地獲取有用的信息. Guide和Cafero機器人能夠監(jiān)測病人的重要生理指標(biāo)，包括血壓、心率、血氧等，并顯示這些重要信號的趨勢[33]. 無人機機器人Lucy通過遙操作控制在病房內(nèi)飛行，懸停在大約病人眼睛的高度幫助醫(yī)生和病人交互[34]. 護士遙操作控制ReMeDi機器人通過遠程診斷界面進行遠程醫(yī)學(xué)檢查，其安全性得到了醫(yī)患雙方的認可[35]. Kraft等[1]研究了Ebola隔離病房中病人對遙操作護理機器人的心理生理學(xué)反應(yīng)(psychophysiological responses)以提高機器人的工作效率.

這些應(yīng)用和研究證明，臨床護理機器人在監(jiān)測和診斷方面的應(yīng)用可以顯著減少護理人員負擔(dān)，提高醫(yī)護工作效率[29,36]. 據(jù)統(tǒng)計，每12 h一次換班的護士進行查房平均需要走約8 km[37]. 監(jiān)測和診斷機器人不僅對于護理人員而言是非常有價值的工具，而且對病患來說它也是一種可以接受的診察方式.

1.2.3 病患轉(zhuǎn)移機器人

病患轉(zhuǎn)移通常需要2名護理人員完成，是病房護理中最為繁重的體力勞動. 病患轉(zhuǎn)移機器人在病房內(nèi)和病人密切接觸，負責(zé)在擔(dān)架、病床、輪椅之間轉(zhuǎn)移病人. 這就要求病患轉(zhuǎn)移機器人具有很大的輸出力(需要承擔(dān)患者的質(zhì)量)和安全性，其核心技術(shù)是遙操作控制和力控制[16].

根據(jù)Mesquita等的研究，全球各國護理機器人相關(guān)的發(fā)明專利中，輔助轉(zhuǎn)運病人的發(fā)明占比達到40%[38]，是最受關(guān)注、應(yīng)用最為廣泛的研究領(lǐng)域[39-40]. 知名的病患轉(zhuǎn)移機器人系統(tǒng)包括Care-O-Bot、RI-MAN[41]、SerBot[42]、TransCar[43]等. 日本在此項研究中處于領(lǐng)先地位，其中最有代表性的病患轉(zhuǎn)移機器人是RIBA(robot for interactive body assistance)和Robear系統(tǒng).

RIBA通過2個攝像頭獲取環(huán)境信息，通過2個麥克風(fēng)接受操作者的指令，在雙臂上裝有先進的壓敏橡膠柔性觸覺傳感器以檢測識別機械臂與病人的接觸狀態(tài)，同時綜合運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型辨識、滑模控制、阻抗控制等構(gòu)成新型運動控制策略[44-45]，達到防止病人在手臂間滑落[46]、提高系統(tǒng)安全性的目的. RIBA采用了基于觸覺信息的“觸覺導(dǎo)引”(tactile guidance)人機接口技術(shù)[45]，護理人員可以通過觸覺導(dǎo)引給出直觀的操作指令或?qū)C器人的運動軌跡進行修正，從而在機器人和護理人員的密切配合下，確保能夠準確、快速、安全地完成病人轉(zhuǎn)移任務(wù). RIBA每天能夠40次搬運80 kg的病人，幫助其在床上翻身、從床上坐起到站立，以及從病床移動到輪椅，或從輪椅移動到病床[22,47-50].

病患轉(zhuǎn)移機器人承擔(dān)了護理工作最為繁重的體力勞動，因此對于提高護理效率、減少醫(yī)護人員工作負擔(dān)的作用最為突出[51]. 德國的一項研究表明，每臺病患轉(zhuǎn)移機器人在病房中平均每天可以為醫(yī)護人員節(jié)省至少2 h的工作時間[52]. 在病患轉(zhuǎn)移過程中，機器人系統(tǒng)的安全性和病人的舒適性要求是此類機器人研發(fā)必須重點關(guān)注和研究的地方[53].

1.2.4 護理作業(yè)機器人

此類護理機器人承擔(dān)最為細致的護理任務(wù)，需要在病房內(nèi)和病人進行密切的物理接觸，特別是和一些特定的人體組織和器官進行物理交互，執(zhí)行一些精細專業(yè)的護理操作. 完成此類任務(wù)需要考慮到醫(yī)學(xué)作業(yè)規(guī)范、患者的安全和舒適度、遙操作控制人員的工作壓力和操作難度等多個方面，對遙操作機器人的位置控制、速度控制、力控制、觸覺反饋等提出了非常高的要求. 護理作業(yè)機器人的核心技術(shù)是精細的遙操作控制、力控制和觸覺反饋.

護理作業(yè)機器人的典型代表包括前述咽拭子采樣機器人和Veebot護理機器人. Veebot進行抽血和靜脈注射，能夠以83%的精確性正確地找到最好的靜脈血管，在1 min之內(nèi)完成抽血，水平相當(dāng)于一名有經(jīng)驗的人類抽血護士[22]. 此外，臨床醫(yī)生還采用遙操作機器人(移動平臺+靈巧機械臂)治療Ebola病毒感染者[1]. Kapusta等[54]研究了通過移動機械臂和機器人床(robotic bed)Autobed協(xié)同作業(yè)，為有嚴重運動障礙的病人提供床邊幫助的方案.

傳染病房中的危重病人往往需要進行插管治療[13]，包括導(dǎo)路尿管、靜脈導(dǎo)管、透析導(dǎo)管、呼吸機插管等，是一件十分危險的工作. 在新冠肺炎重癥患者的插管急救過程中，病人的呼吸道會噴出濃度極高的新冠病原體，萬不得已的情況下醫(yī)護人員甚至組織敢死隊對病人進行插管搶救，不少醫(yī)護人員因此感染了新冠病毒. 因此，開展面向此類任務(wù)的遙操作機器人系統(tǒng)研究具有十分重要的意義.

2 傳染病房遙操作護理機器人關(guān)鍵技術(shù)

傳染病房護理人員的工作職責(zé)是非常復(fù)雜和繁重的. 雖然傳染病房是一個半結(jié)構(gòu)化的工作空間，但由于病房護理工作流程的復(fù)雜性、專業(yè)性，以及物理人機交互(physical human-robot interaction)的密切性，以當(dāng)前自主機器人的技術(shù)水平，無論是運動能力還是環(huán)境感知和決策能力都達不到獨立勝任傳染病房護理任務(wù)的要求. 比如，為了將病人從病床上抱起，機器人就需要在變化的病房環(huán)境中檢測病人的位置和姿態(tài)，從病人的面部表情理解病人的身體和精神狀態(tài)，根據(jù)病人的身體姿勢規(guī)劃一個舒適安全的抱起動作，此外還要根據(jù)傳感信息預(yù)見危險和意外狀況并采取預(yù)防措施.

在理想情況下，人們希望傳染病房護理機器人具備像人一樣的感知、推理和操作能力，而不是像前述幾種機器人那樣只是偏重于某一類型的工作，而是作為醫(yī)護人員的代理或替身(surrogate body)在隔離病房中承擔(dān)各項日常護理任務(wù)[55-58]，一臺護理機器人負責(zé)一個傳染病房，和患者共存合作(coexisting-cooperative)地完成護理治療過程. 對于目前的自主機器人而言，上述工作還是一件不可能完成的任務(wù). 因此，面對傳染病房盡量使傳染病患和醫(yī)護人員隔離的迫切需求，遙操作機器人就成了唯一合理的選擇[1].

采用遙操作護理機器人方案，通過“人在環(huán)中”的策略，由醫(yī)護人員作為主端操作者承擔(dān)認知環(huán)境和智能決策任務(wù)，遙操作護理機器人在從端承擔(dān)繁重單調(diào)的體力勞動，完成大量的傳染病房護理作業(yè). 這樣有利于落實傳染病房的病區(qū)管理規(guī)范，通過病種隔離、病床隔離的方法避免人員流動引起的院內(nèi)感染，達到既保護醫(yī)護人員安全，又提高護理治療效率的目的. 遙操作護理機器人還必須具備高度的操作靈巧性(dexterity)、豐富的傳感能力、與任務(wù)有關(guān)的先驗知識，以及較強的學(xué)習(xí)能力和環(huán)境感知能力[59-60]，以確保其完成作業(yè)任務(wù)的可靠性和動態(tài)穩(wěn)定性、所提供護理服務(wù)的專業(yè)性，以及人(患者)- 機(機器人自身)- 物(病房環(huán)境)的安全性[51].

Li等[61]在杜克大學(xué)(Duke University)研究了一種遙操作智能護理機器人TRINA(tele-robotic intelligent nursing assistant). TRINA配備有全向移動平臺、Rethink Baxter雙臂機器人和ReFlex三指機械手，設(shè)計目標(biāo)是在隔離病房中通過遙操作執(zhí)行輕度到中度體力強度的護理任務(wù)(承擔(dān)質(zhì)量小于10 kg)，特別是自主/半自主地完成一些煩瑣和易于出錯的護理操作. Li等總結(jié)出了26項頻繁執(zhí)行的護理任務(wù)，通過模擬病房實驗驗證TRINA在專業(yè)操作人員控制下能夠完成包括物資派送、設(shè)備整理、垃圾清理、信息檢測、照料病人等在內(nèi)約60%的常規(guī)護理任務(wù). 但是TRINA不能很好地完成對靈巧度和協(xié)調(diào)性要求較高的精細作業(yè)任務(wù)，包括將導(dǎo)管插入容器和從容器中拔出、將管嘴插入管子或從管子中拔出、撕開消毒物品的包裝袋、按下按鈕以啟動設(shè)備、轉(zhuǎn)動手柄以控制設(shè)備等，這導(dǎo)致該機器人完成任務(wù)的總時間長達人類護士用時的20倍[61-62].

綜合分析目前TRINA以及其他護理機器人系統(tǒng)研究和應(yīng)用中反映出來的問題，認為下一代傳染病房護理機器人應(yīng)該是同時具有類人運動特性和觸覺感知能力，能隨時切換遙操作控制和自主控制模式以完成護理任務(wù)的機器人系統(tǒng)，其研究和應(yīng)用有如下3個急需解決的關(guān)鍵技術(shù).

2.1 機器人的類人運動和直觀遙操作控制

人體運動數(shù)據(jù)分析和最優(yōu)控制理論2個方面的研究表明，人手運動存在著一種獨特的模式. 由于運動時間(movement time)在神經(jīng)運動控制(neural motor control)中的作用，在人手臂的運動過程中存在一個運動速度和運動精度之間的折中問題，時間成本(cost of time)函數(shù)系統(tǒng)地表現(xiàn)出符合最優(yōu)控制的最小加加速度模型，其手部的運動軌跡符合Logistic方程曲線，運動速度變化是一條鐘形曲線.

傳感病房護理機器人需要和患者進行密切的交互協(xié)作. 對于患者而言，希望該機器人不僅物理上是安全的，而且心理上是舒適的. 即在任何時候，患者需要感覺到護理機器人的運動形態(tài)是自然的，并因此確信他們理解護理機器人的意圖，對其與護理機器人之間的交互協(xié)作感到親切、舒適和友好. 有關(guān)工人和裝配機器人在生產(chǎn)線工位上的協(xié)作研究表明，機器人運動的類人程度越高，工人對機器人的信任度就越高，工人的工作量將顯著降低，人機協(xié)同作業(yè)的效率也就越高. 病房護理機器人更加強調(diào)病人與機器人之間的互動協(xié)作，因此類人運動控制是護理機器人的一種內(nèi)在的基本要求：采用類人運動控制賦予護理機器人在運動學(xué)層面上的類人行為模式，可以讓病人覺得機器人的行為意圖在直覺上和經(jīng)驗上是容易理解和預(yù)測的，從而更加自然和高效地促進病人和護理機器人的協(xié)同配合，提高護理工作的效率和安全性.

傳染病房的護理規(guī)范都是根據(jù)人類護理人員的操作方式制定的. 遙操作護理機器人要在病房中代替護理人員完成這些工作，就必須具有類人的作業(yè)能力. 直接用雙手(臂)進行各種操作是最為直觀和最符合人們生活習(xí)慣的. 為了實現(xiàn)從端護理機器人的類人作業(yè)能力，人們通常采用主從同構(gòu)設(shè)計或主從異構(gòu)運動映射的方法，使得操作者可以忽略主從兩端的運動學(xué)差異和約束，完全根據(jù)自己的習(xí)慣和直覺(通過雙手運動和運動捕捉系統(tǒng))進行遙操作控制，不需要經(jīng)過特殊的專業(yè)訓(xùn)練就可以很好地實現(xiàn)高質(zhì)量的遙操作運動控制，使遙操作控制人員的工作壓力達到最小，熟練進行遙操作作業(yè)的培訓(xùn)時間達到最短.

在主從異構(gòu)的遙操作系統(tǒng)方案中，主端采用符合人的操作習(xí)慣的人- 機接口系統(tǒng)，從端采用面向特定環(huán)境和任務(wù)的機器人系統(tǒng)，其難度在于主從異構(gòu)帶來的運動映射算法的復(fù)雜性. 以前述TRINA機器人系統(tǒng)為例，它具有多達28個獨立控制的自由度，在其雙臂結(jié)構(gòu)中，Baxter機械臂有7個自由度但不具有擬人化的特征，ReFlex三指機械手和人手在形態(tài)上也有很大差異. 這種顯著的主從異構(gòu)特點，給提高該機器人系統(tǒng)作業(yè)能力和遙操作控制的直觀程度帶來了極大的難度[67]，這是TRINA機器人難以完成一些對人而言很簡單任務(wù)的一個直接原因. 研究主從異構(gòu)遙操作系統(tǒng)的運動映射算法，從而實現(xiàn)從端機器人的協(xié)調(diào)控制和類人靈巧操作，是一個值得重點研究的關(guān)鍵技術(shù).

在主從同構(gòu)的遙操作系統(tǒng)方案中，需要設(shè)計具有高度仿生特性的仿人機械臂和靈巧手等執(zhí)行機構(gòu)(manipulators)[63-64]，通過主從端高度相似的運動學(xué)結(jié)構(gòu)來增強系統(tǒng)的靈巧操作能力，提高系統(tǒng)的護理作業(yè)效率[65-66]. 此類系統(tǒng)的優(yōu)點是：1) 主從同構(gòu)的運動映射算法簡單；2) 傳染病房現(xiàn)有的各種醫(yī)療設(shè)備和工具都是為醫(yī)護人員所設(shè)計的，同構(gòu)的機械從臂(手)可以方便地使用這些工具，從而提高護理工作的效率；3) 同構(gòu)的仿人機器人系統(tǒng)可以給患者帶來更多的親切感和信任度，容易實現(xiàn)機器人和患者之間的配合和交流，有利于護理過程的實施. 其缺點是機器人的機構(gòu)精巧而復(fù)雜，系統(tǒng)的制作難度很大并且成本高昂.

因為人體肌肉的本質(zhì)柔順性，人手的運動過程也體現(xiàn)出柔順的特點. 通常的工業(yè)機械臂運動控制以快速性和準確性為目標(biāo). 因為需要和人體頻繁交互的原因，護理機器人的運動控制必須以柔順性和安全性為目標(biāo). 為了在護理機器人平臺上實現(xiàn)機械臂(手)的類人柔順運動和靈巧操作[68]，類似Shadow機械手那樣采用氣動人工肌肉驅(qū)動的仿生機械臂和仿生靈巧手將發(fā)揮重要作用. 氣動人工肌肉不僅具有類似人體肌肉的出力特性，有利于實現(xiàn)機器人的類人運動模式，而且可以通過和鮑登線的結(jié)合使用，模擬人體肌肉- 肌腱- 韌帶組織的驅(qū)動形式，便于驅(qū)動方案的實現(xiàn)和關(guān)節(jié)運動的解耦，是一種理想的仿人機器人驅(qū)動器. 氣動人工肌肉所具有的本質(zhì)柔順性也非常有利于增強該機器人系統(tǒng)在護理作業(yè)過程中“人- 機- 物”的安全性. 此外，在機械臂(手)的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中設(shè)置串聯(lián)彈性驅(qū)動器(series-elastic-actuation，SEA)也是一種獲得操作柔順性和系統(tǒng)安全性的方法[69].

仿生設(shè)計和控制是機器人研究的重要組成部分. 相關(guān)研究表明[70]，人體的變剛度控制機理可以分為以下2種：第1種是反應(yīng)式的剛度調(diào)節(jié)，即人體在應(yīng)對外界環(huán)境的突然擾動或者一些不確定性的環(huán)境變化時，運動神經(jīng)元通過主動肌/拮抗肌的共同收縮，自適應(yīng)地改變?nèi)梭w內(nèi)在的肌肉- 骨骼剛度(阻抗)，從而在外部環(huán)境變化時自然地提高抗干擾能力；第2種是主動式的剛度調(diào)節(jié)，即人體在運動(比如行走)過程中，主動實時調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)(比如踝關(guān)節(jié))剛度，可以避免動作僵硬，提高操作的靈巧性. 人體的這種變阻抗/剛度控制能力是完成靈巧作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵, 對實現(xiàn)機械臂的靈巧控制、改善機器人的操作技能具有重要啟示作用. 因此，通過類人運動控制，賦予護理機器人這種類人的變剛度控制策略，從而提升護理機器人的作業(yè)性能，是一個值得關(guān)注的研究方向.

2.2 類人觸覺感知和力控制

不論是病患轉(zhuǎn)移機器人，還是護理作業(yè)機器人，都必須在不確定性環(huán)境中和病人直接接觸. 觸覺感知對人手的靈巧操作能力具有重要的意義[67]. 為了確保接觸交互過程中人- 機- 物的安全，除了在機器人結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式上引入柔性特征之外，類人觸覺傳感和力控制也是必不可少的[71].

護理機器人需要在病房中完成一系列的護理作業(yè)任務(wù)，比如幫助病人翻身和坐起、幫助病人飲食、為病人進行靜脈注射等. 這就要求護理機器人必須具備精確協(xié)調(diào)的雙手操作能力，能夠運用其全部作業(yè)空間和運動能力來操控具有不同形狀、質(zhì)量、柔軟度和表面粗糙度的對象，包括舉起質(zhì)量分布不平衡的重物(比如抱起并轉(zhuǎn)移病人)，能夠分離緊密接觸的物體(比如撕開包裝袋、處理床單和繃帶等紡織品)，能夠抓取細小和不規(guī)則物品(比如處理散亂堆放的物品), 能夠通過柔順的手指來操作臨床護理設(shè)備中大量存在的操作按鈕或連接細長柔軟的物品(比如將輸液管連接到輸液瓶和病人手上的針頭進行靜脈滴注)等[61]. 從前述TRINA機器人難以完成的一些簡單任務(wù)可以看出，這些任務(wù)往往要求機器人在物體表面通過緊密接觸實現(xiàn)靈巧的操作，而完成這些操作要求機器人具有毫米級的操作精度和低于牛頓級的觸覺感知和力控制能力[61].

實現(xiàn)上述類人觸覺感知功能的一個途徑是仿生機器人皮膚. 研究模擬人手皮膚的觸覺信息傳遞和處理系統(tǒng)，構(gòu)建仿生的人體觸覺感知系統(tǒng)，通過集成力傳感器、滑動覺傳感器、關(guān)節(jié)運動的本體感受器等信息，進行信息融合處理，可以較為準確地感知機械手和操作對象之間的作用力和相對滑動，以及通過“主動感知”(action for perception)獲得關(guān)于操作對象柔軟度和粗糙度等物理特征等信息，并通過“根據(jù)感知采取行動”(perception for action)的決策推理模型實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的智能護理操作. 在機器人的自主控制模式下，上述觸覺感知信息是實現(xiàn)機器人精確運動控制和力控制必不可少的狀態(tài)反饋信息；在機器人的遙操作控制模式下，上述觸覺感知信息是增強遙操作的臨場感和透明性(transparency)，確保遙操作控制人員上層決策的正確性，以及提高遙操作控制質(zhì)量的重要決策信息.

因此，研究護理機器人的類人觸覺感知和精細的位置控制和力控制算法，賦予機器人精準的雙手協(xié)同操作能力、毫米級的操作精度和低于牛頓級的觸覺感知和力控制能力，結(jié)合機械手關(guān)節(jié)內(nèi)置傳感器的本體感受(proprioception)信息，通過多傳感器信息融合的方法，提高護理機器人的精細作業(yè)性能，這是另一個值得關(guān)注的研究方向.

2.3 護理技能的模仿學(xué)習(xí)和人機技能傳遞

傳染病醫(yī)院的清潔區(qū)和污染區(qū)有著明確的劃分，傳染病房有著嚴格的消毒和隔離制度，需要執(zhí)行嚴格而又煩瑣的消毒規(guī)范和醫(yī)療垃圾處理規(guī)程. 根據(jù)《醫(yī)院感染管理辦法》、《消毒技術(shù)規(guī)范》以及三級甲等醫(yī)院的感染管理標(biāo)準，傳染病房的消毒規(guī)范和醫(yī)療垃圾處理規(guī)程包括：對病人的生活垃圾、醫(yī)療廢品和污染物品等必須及時進行垃圾分類，用黃色垃圾袋雙層裝袋、包扎密封并貼上紅色標(biāo)簽；這些醫(yī)療垃圾一律放在專用污物桶內(nèi)并定時噴灑藥液消毒；用過的一次性注射器和輸液器需要做毀壞處理，連同棉簽、安瓿一起放入空廢棄的消毒液瓶內(nèi)，裝滿加蓋后再放入垃圾袋內(nèi)包裝和密封，標(biāo)記傳染科及日期，由病房專人負責(zé)送至指定回收點檢查登記廢物的數(shù)量和種類，最后交給專業(yè)處置技術(shù)人員進行后續(xù)的消毒處理. 像處理污染物和機器人自身消毒一類既具有嚴格規(guī)程，又需要頻繁執(zhí)行的作業(yè)任務(wù)，如果通過遙操作完成，對于主端操作人員來說將是一件很枯燥、煩瑣和勞累的工作. 可以將這些程式化的操作過程定制成特定的任務(wù)流程，在控制人員給出操作指令信號(任務(wù)名稱、作業(yè)對象、任務(wù)的起始點和目的地等)之后，由機器人自主或半自主地完成.

如前所述，TRINA機器人能夠完成約60%的常規(guī)護理任務(wù)，但對于一些靈巧度和協(xié)調(diào)性要求較高的精細作業(yè)任務(wù)則效率很低或者難以完成. 事實上，這些精細作業(yè)任務(wù)雖然對機器人的靈巧度和協(xié)調(diào)性要求很高，但對于臨床護理人員而言都是很普通的操作. 以護理人員向患者遞送藥品為例，這對護理人員是很簡單的任務(wù)，但用機器人實現(xiàn)時就很不容易，因為該任務(wù)涉及到患者姿態(tài)的視覺感知、機器人系統(tǒng)的多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制、機械手的路徑規(guī)劃、交接點和交接時機的選擇與控制等問題. 每一個環(huán)節(jié)的處理都關(guān)系到雙方交互的密切和協(xié)調(diào)程度，以及交互的工作負擔(dān)甚至任務(wù)的成敗，不能通過編程和軌跡規(guī)劃的方法實現(xiàn). 這就涉及到一個重要問題：如何高效地將人類的操作技能傳授給機械臂(手)，使得機器人具備類人化的作業(yè)技能.

人- 機器人技能傳遞(human-robot skill transfer, HRST)，即機器人示教學(xué)習(xí)(learning from demonstration, LfD)或模仿學(xué)習(xí)(imitation learning)是當(dāng)前機器人領(lǐng)域的研究熱點之一. Fischinger等[72]研究護理機器人如何習(xí)得一些重要技能，特別是在人的幫助下讓機器人學(xué)習(xí)新的物體，包括學(xué)習(xí)物體的名稱和特點，以及操作方法(抓取點和抓取方式的選擇)，從而讓機器人根據(jù)特定的目的在環(huán)境中安全地移動以完成物體抓取和物品傳遞任務(wù). Moxi機器人采用有人指導(dǎo)的學(xué)習(xí)(human-guide learning)方法，在半結(jié)構(gòu)化環(huán)境中觀察重復(fù)的任務(wù)，通過記錄人示教過程中的關(guān)鍵信息來了解操作對象，并記憶抓取等操作知識[20]. 這些面向通用機器人完成一些基本作業(yè)任務(wù)的研究成果，雖然還不能直接應(yīng)用于病房機器人完成專門的護理作業(yè)任務(wù)，但是可以為病房機器人的護理技能學(xué)習(xí)研究提供重要的參考借鑒.

人們還希望護理機器人能夠?qū)ψo理過程中出現(xiàn)的一些意外事件做出應(yīng)急響應(yīng)，并根據(jù)人類專家的判斷進行處置操作[73]. 這種特定場合下的程序化處理方式和技能都可以通過模仿學(xué)習(xí)的方法實現(xiàn).

因此，開展模仿學(xué)習(xí)或強化學(xué)習(xí)算法研究，使機器人掌握一些特定操作的要領(lǐng)，提高護理機器人獲取人的操作技能的能力，這是又一個值得關(guān)注的研究方向.

3 結(jié)論

1) 在傳染病房中采用機器人代替醫(yī)護人員為病人提供醫(yī)療護理服務(wù)，特別是承擔(dān)護理工作中最為繁重、枯燥、危險和重復(fù)的任務(wù)，從而減輕醫(yī)護人員的工作壓力和感染危險，使醫(yī)護人員得以將更多的精力投入到照料和關(guān)懷病人的工作中去. 此項研究和應(yīng)用受到了廣泛重視和持久關(guān)注，美國、歐洲、日本、韓國、中國等都先后推出了研究計劃來推動這項工作. 因此，護理機器人多年來一直是機器人和人工智能領(lǐng)域的研究熱點之一，具有十分重要的研究和應(yīng)用價值.

2) 下一代傳染病房醫(yī)療護理機器人系統(tǒng)應(yīng)該是具有遙操作和自主作業(yè)2種工作模式的同構(gòu)遙操作護理機器人，既能在機械臂上實現(xiàn)較大輸出力控制和柔順運動控制以完成安全的病患轉(zhuǎn)移任務(wù)，又能在靈巧手指上實現(xiàn)靈敏的觸覺感知和微小的輸出力控制以完成精細的護理作業(yè)任務(wù). 在遙操作模式下，該系統(tǒng)在主端以遙操作控制人員的手臂作為通用主臂，通過穿戴式運動捕捉系統(tǒng)獲取操作者的控制指令；在從端采用類人肌肉驅(qū)動、具有類人觸覺感知和類人運動模式的仿生機械臂和靈巧手系統(tǒng). 在自主工作模式下，該系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)流程或醫(yī)護人員的指令執(zhí)行一些涉及特定的作業(yè)對象、需要特定的操作技能、遵循特定的操作流程的護理作業(yè)任務(wù)(比如傳染病房醫(yī)療垃圾的歸類、封裝和處理). 雖然現(xiàn)有的醫(yī)療護理機器人技術(shù)水平還遠達不到這樣的水平，但這是一個非常值得投入的應(yīng)用和研究方向，具有重大的社會和經(jīng)濟價值.

3) 面向傳染病房環(huán)境的醫(yī)療護理機器人系統(tǒng)的研究和應(yīng)用具有不可估量的社會價值. 根據(jù)世界衛(wèi)生組織2015年的報告，預(yù)計到2035年全球?qū)⒂? 290萬護理人員短缺，而在現(xiàn)有的護士工作量中，只有1/3是在對病人進行直接護理，其他瑣碎的工作消耗了醫(yī)護人員大量的時間和精力[16]. 傳染病房護理機器人的研發(fā)和運用可以有效地緩解醫(yī)護人員的短缺，減輕醫(yī)護人員工作負擔(dān)，特別是在針對前述各種烈性傳染病的抗疫工作中，可以有效地提高醫(yī)護人員的工作效率，保護醫(yī)護人員的健康，讓傳染病人得到更好的治療和康復(fù)，挽救更多的生命[74-76].

4) 面向傳染病房環(huán)境的醫(yī)療護理機器人的研究和應(yīng)用具有十分重要的經(jīng)濟價值. 世界各國的多家智庫都對未來的護理機器人市場給出積極的預(yù)測. McKinsey Global Institute 的研究認為，一場護理領(lǐng)域的機器人技術(shù)革命已經(jīng)開始，更加安全高效的護理機器人是領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，很快將付諸實現(xiàn)[77-78]. 根據(jù)Grand View Research的研究報告，全球護理機器人的市場規(guī)模2018年已達到3.89億美元，并將以19.9%的復(fù)合年增長率(compound annual growth rate，CAGR)增長，到2026年全球護理機器人的市場規(guī)模將達到16億美金，護理機器人的采用將為醫(yī)院和診所增收1.8億美金[4,79]，而日本和韓國已經(jīng)在國際護理機器人(主要是個人護理機器人)研發(fā)競賽中處于領(lǐng)先地位[41,80].

5) 有必要更加重視醫(yī)療護理機器人的應(yīng)用和研究工作，特別是借助“共融機器人”重大研究計劃的展開，決策者給與更多的重視和資助，研究者給與更多的關(guān)注和投入，共同推動護理機器人(特別是傳染病房護理機器人)的研發(fā)工作，促進我國醫(yī)療護理機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在國際護理機器人領(lǐng)域的科技競爭中取得有利的地位.