外科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀和未來方向

劉春華

近年來，隨著人工智能的發(fā)展，有著“大腦”的智能協(xié)作機(jī)器人成為熱門的研究方向之一。尤其是2023年以來，以ChatGPT 為代表的大語言模型突破式發(fā)展，更加靠近人類智力的生成式人工智能（AIGC）將在未來幾年出現(xiàn)爆發(fā)式增長。AIGC 應(yīng)用于協(xié)作機(jī)器人是時(shí)代所趨，而高度智能化和專業(yè)化的協(xié)作機(jī)器人非常符合人們對(duì)未來工作生活的憧憬。

在醫(yī)療領(lǐng)域，手術(shù)協(xié)作機(jī)器人（Collaborative Robots） 已被廣泛應(yīng)用于各大醫(yī)院的手術(shù)室中，其通過結(jié)合機(jī)器人技術(shù)和圖像導(dǎo)航等先進(jìn)技術(shù)，可以提供更高的手術(shù)精確度，實(shí)現(xiàn)更小的創(chuàng)傷和更快的康復(fù)速度，在近幾年里成為醫(yī)療領(lǐng)域中的一顆新星。例如，骨科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人是一類發(fā)展較為成熟的醫(yī)用電氣設(shè)備系統(tǒng)，在我國一些大型醫(yī)院進(jìn)行的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等手術(shù)中協(xié)助主刀醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)作業(yè)，使得患者的手術(shù)過程更加便捷和安全。

外科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)概述

2016年2月，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織針對(duì)協(xié)作機(jī)器人發(fā)布了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)“協(xié)作”進(jìn)行了定義:“一個(gè)特定設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)與操作者在同一工作環(huán)境下協(xié)同工作的狀態(tài)”[1]。該標(biāo)準(zhǔn)明確了協(xié)作機(jī)器人的安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。符合標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)作機(jī)器人將足夠安全，不再需要防護(hù)欄進(jìn)行隔離。因此，外科手術(shù)用的協(xié)作機(jī)器人并非是能夠自主完成手術(shù)作業(yè)的全智能機(jī)器人，而是輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)作業(yè)的機(jī)器人，可與手術(shù)醫(yī)生近距離合作，大大提高手術(shù)效率和手術(shù)安全性。

從硬件結(jié)構(gòu)組成看，外科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人主要包括機(jī)器人本體、中空力矩電機(jī)、諧波減速機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器及控制器等部分。從功能組成看，主要可分為機(jī)械臂系統(tǒng)、信息采集與處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和醫(yī)生操作界面系統(tǒng)等。從設(shè)計(jì)上來說，其系統(tǒng)構(gòu)架一般遵循建模、規(guī)劃和執(zhí)行3 個(gè)原則[2]。建模階段完成對(duì)患者手術(shù)信息的采集、處理和分析；規(guī)劃階段通過整合綜合信息，進(jìn)行分析研判，確定手術(shù)方案；執(zhí)行階段是通過其自動(dòng)化機(jī)械臂輔助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)手術(shù)方案。3 個(gè)階段相輔相成，在計(jì)算機(jī)高速計(jì)算中瞬時(shí)完成。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.國外發(fā)展現(xiàn)狀

協(xié)作機(jī)器人的概念最早于20世紀(jì)90年代在美國被提出，經(jīng)過多年的發(fā)展，外科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人在國外市場上得到了廣泛應(yīng)用。如美國直覺外科公司（Intuitive Surgical）的達(dá)芬奇機(jī)器人、美敦力（Medtronic） 的Hugo RAS 腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人、史賽克（Stryker）的MAKO 機(jī)器人。這些手術(shù)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)在許多醫(yī)療場景中得到應(yīng)用，包括心臟和血管手術(shù)、胸腔外科手術(shù)、泌尿外科手術(shù)、婦產(chǎn)科手術(shù)、骨科手術(shù)等，并取得了良好的臨床效果。

一方面，由于發(fā)展得早，技術(shù)基礎(chǔ)更加深厚，發(fā)達(dá)國家在手術(shù)協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)形成了較為完善的研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)內(nèi)循環(huán)。更多的研發(fā)投入，能夠出現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用和更多的創(chuàng)新。國外最近的研究還探索了自適應(yīng)外科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人的概念。這種協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)的手術(shù)情況和醫(yī)生的操作，自動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化手術(shù)方案和操作策略[3]。并且它能夠根據(jù)不同患者的創(chuàng)口特征和手術(shù)需求，提供個(gè)性化的手術(shù)支持。這種技術(shù)就是先進(jìn)人工智能和高性能硬件的深度結(jié)合。例如，美國直覺外科公司開發(fā)的達(dá)芬奇機(jī)器人微創(chuàng)外科手術(shù)系統(tǒng)是目前世界范圍應(yīng)用最廣泛的一種智能化手術(shù)平臺(tái)，應(yīng)用在普腹外科、泌尿外科、心血管外科、胸心外科、婦科、五官科、小兒外科等遙控微創(chuàng)手術(shù)中[4]。該系統(tǒng)的手術(shù)操作部分已可完成7 個(gè)自由度的操作，由外科醫(yī)師在遠(yuǎn)程工作站進(jìn)行遙控，具有整合三維成像、觸覺反饋和寬帶遠(yuǎn)距離控制等功能。

另一方面，發(fā)達(dá)國家?guī)缀鯄艛嘀鴧f(xié)作機(jī)器人的核心零部件。一臺(tái)高性能的協(xié)作機(jī)器人缺失不了最核心的零部件，比如中空伺服電機(jī)、諧波減速器、模塊化編碼器、伺服驅(qū)動(dòng)器及高性能傳感器等。例如，電機(jī)是協(xié)作機(jī)器人的動(dòng)力來源，傳統(tǒng)的伺服電機(jī)無法用于機(jī)械臂中，只能采用中空伺服電機(jī)進(jìn)行內(nèi)部走線。中空伺服電機(jī)具有中空的軸心孔，可以通過軸心孔傳遞氣體、液體、光纖等信號(hào)或物質(zhì)。它結(jié)合了傳統(tǒng)伺服電機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)功能和中空軸的特殊設(shè)計(jì)。美國的科爾摩根（Kollmorgen）、日本的安川電機(jī)、德國的西門子等企業(yè)幾乎壟斷了高端中空伺服電機(jī)市場。再如，被廣泛用于高端手術(shù)協(xié)作機(jī)器人的一種軟性傳感器，它可以彎曲和變形，在人體腔腹內(nèi)靈活變動(dòng)，減小對(duì)人體的創(chuàng)傷。2023年5月，美國斯坦福大學(xué)最新開發(fā)了一種名為“電子皮膚（electronic skin）”的柔性傳感器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的觸摸感知和形變測量[5]。而當(dāng)前能夠商業(yè)化生產(chǎn)高性能柔性傳感器的只有美國、德國等少數(shù)國家。

2.國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

手術(shù)協(xié)作機(jī)器人的開發(fā)涉及整個(gè)工業(yè)體系的進(jìn)步和發(fā)展，我國整體起步較晚，尚未在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中大規(guī)模普及應(yīng)用。目前，雖然歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)控制著手術(shù)協(xié)作機(jī)器人的主要生產(chǎn)和專利技術(shù)，但我國經(jīng)過這幾年的投入，國內(nèi)手術(shù)協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了快速的發(fā)展。

2019年，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所與北京大學(xué)人民醫(yī)院合作成功完成了“智行者”手術(shù)機(jī)器人在心臟手術(shù)中的應(yīng)用。這是國內(nèi)手術(shù)機(jī)器人在心臟外科領(lǐng)域的重要進(jìn)展，為手術(shù)機(jī)器人在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)和參考。次年，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所發(fā)布了第三代手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)--“智行者Ⅲ”手術(shù)機(jī)器人。該系統(tǒng)在機(jī)器人結(jié)構(gòu)、操作控制和感知技術(shù)等方面進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，進(jìn)一步提升了手術(shù)機(jī)器人的性能和可靠性。國內(nèi)企業(yè)中，中科創(chuàng)星科技投資有限公司、大博醫(yī)療科技股份有限公司（簡稱大博醫(yī)療）、深圳市精峰醫(yī)療科技股份有限公司（簡稱精峰醫(yī)療）等公司也各自推出了自主研發(fā)的手術(shù)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)，并在一些醫(yī)療機(jī)構(gòu)取得了不錯(cuò)的臨床效果。這些公司在機(jī)器人硬件、操作系統(tǒng)和感知技術(shù)等方面進(jìn)行了大量的技術(shù)創(chuàng)新。例如，大博醫(yī)療研發(fā)的膝關(guān)節(jié)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，已經(jīng)在臨床試驗(yàn)中取得了專家醫(yī)生的高度認(rèn)可。精峰醫(yī)療2023年研發(fā)的單孔手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，令醫(yī)生利用5G 網(wǎng)絡(luò)完成了遠(yuǎn)程雞蛋剝殼，雞蛋膜縫合試驗(yàn)，這已經(jīng)代表了該領(lǐng)域最前沿的技術(shù)[6]。

當(dāng)前國內(nèi)手術(shù)協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨很大的挑戰(zhàn)，包括精密零部件開發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)制定、臨床驗(yàn)證及市場推廣等方面的問題。然而，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的增長，預(yù)計(jì)未來幾年國內(nèi)手術(shù)協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將迎來更多的機(jī)遇和發(fā)展空間。

未來發(fā)展方向

1.智能化方向

人工智能技術(shù)的突破式發(fā)展，尤其以大語言模型為基礎(chǔ)的生成式人工智能的出現(xiàn)在科技圈掀起了一輪激烈競爭。我國在人工智能領(lǐng)域的技術(shù)是走在前沿的。在此背景下，進(jìn)行更專業(yè)化的醫(yī)學(xué)語言知識(shí)訓(xùn)練，建立醫(yī)療垂直領(lǐng)域的大語言模型也成了醫(yī)療行業(yè)熱門的研究方向之一。通過深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，手術(shù)機(jī)器人可以學(xué)習(xí)和識(shí)別復(fù)雜的視覺模式，如人體傷口、手術(shù)器具和場景等，同時(shí)結(jié)合病人各項(xiàng)實(shí)時(shí)生理指標(biāo)等數(shù)據(jù)，根據(jù)手術(shù)協(xié)作機(jī)器人深度學(xué)習(xí)到的醫(yī)學(xué)知識(shí)，進(jìn)行臨床判斷和操作。這使得手術(shù)機(jī)器人能夠更好地與專業(yè)醫(yī)生進(jìn)行交互，并執(zhí)行更復(fù)雜的手術(shù)任務(wù)[7]。甚至在可預(yù)想的將來，手術(shù)協(xié)作機(jī)器人成為獨(dú)立的智能手術(shù)機(jī)器人，其手術(shù)作業(yè)可以完全脫離人工的干預(yù)，完成高精度的手術(shù)任務(wù)，最終使得其成為集大成的外科手術(shù)專家。

另外，5G 技術(shù)的發(fā)展也為手術(shù)協(xié)作機(jī)器人智能化帶來了新機(jī)遇。5G 網(wǎng)絡(luò)的高速和低延遲使得遠(yuǎn)程操控手術(shù)協(xié)作機(jī)器人變得更加便捷，從而提高診斷和治療的效率。

2.傳感技術(shù)方向

傳感技術(shù)在智能機(jī)器人應(yīng)用中是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，是智能機(jī)器人感知外部信息的窗口。因此，傳感技術(shù)的優(yōu)劣決定著智能機(jī)器人對(duì)外部信息判斷的準(zhǔn)確度。在醫(yī)用外科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，更加專業(yè)化、精準(zhǔn)化的視覺傳感是核心技術(shù)之一。

視覺傳感技術(shù)在近些年得到了巨大的進(jìn)步。在目標(biāo)識(shí)別、姿態(tài)估計(jì)、場景理解等方面取得了重大突破。同時(shí)，超高分辨率的攝像頭和圖像處理算法使得手術(shù)機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)感知和理解周圍的環(huán)境。一方面，跨模態(tài)感知技術(shù)是手術(shù)協(xié)作機(jī)器人重要的發(fā)展方向。例如，利用手術(shù)中的觸覺、力量等傳感器來感知手術(shù)場景，并將其感知到的信息整合在一起，進(jìn)行決策和行動(dòng)。另一方面，柔性傳感技術(shù)也得到快速發(fā)展，被逐步用于手術(shù)協(xié)作機(jī)器人的感知技術(shù)中。其主要利用柔性材料和觸覺傳感器來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的觸覺感知。這種技術(shù)使得手術(shù)協(xié)作機(jī)器人能夠更加精確感知和處理手術(shù)中人體創(chuàng)口的形狀、骨骼的硬度、體溫等信息，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的操作和交互。

3.精密機(jī)械臂

機(jī)械臂是外科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人最重要的核心硬件，一個(gè)高性能的機(jī)械臂，決定著整套系統(tǒng)的實(shí)用性和安全性。機(jī)械手臂在人類發(fā)展歷史上可以追溯到幾個(gè)世紀(jì)以前，經(jīng)過一代代無數(shù)人的努力，現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是從其機(jī)械精密度和穩(wěn)定性方面，相關(guān)技術(shù)還是被歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)壟斷，尤其7 軸以上的機(jī)械臂，我國相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還有一定的差距。

就精密機(jī)械臂方面，未來有如下幾個(gè)發(fā)展方向：一是剛性和輕量化設(shè)計(jì)。為了減小機(jī)械臂自身的振動(dòng)和形變，通常需要采用剛性材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是，為了降低機(jī)械臂的質(zhì)量和慣性，也需要對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。如采用高強(qiáng)度的復(fù)合材料和空心結(jié)構(gòu)等技術(shù)，可以讓機(jī)械臂保持剛性的同時(shí)減輕自身質(zhì)量，提高其動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精度。二是多關(guān)節(jié)和靈活性設(shè)計(jì)。多關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)使得機(jī)械臂可以在多個(gè)自由度上進(jìn)行靈活的運(yùn)動(dòng)。增加關(guān)節(jié)數(shù)目，機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更精細(xì)的操作，同時(shí)機(jī)械復(fù)雜程度也大大增加[8]。此外，利用柔性材料進(jìn)行機(jī)械臂設(shè)計(jì)也是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其可以在運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)更大的變形能力和適應(yīng)性，在更復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中進(jìn)行靈活操作。三是自適應(yīng)高精度控制。為了讓機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)更高的自適應(yīng)控制精度，就需要更精密的傳感器和自適應(yīng)控制算法。例如，在骨科協(xié)作機(jī)器人作業(yè)中，采用光學(xué)編碼器、激光測距儀等來實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡和力量控制，同時(shí)配合相應(yīng)的自適應(yīng)控制算法來實(shí)現(xiàn)精確的骨骼切割等作業(yè)。

4.控制系統(tǒng)及相關(guān)軟件方向

外科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)不僅要擁有高性能的機(jī)器臂，還要具備一套與之相對(duì)應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)，包括機(jī)器人調(diào)試、運(yùn)行控制、術(shù)中信息記錄、參數(shù)分析與判斷等應(yīng)用。例如，髖關(guān)節(jié)手術(shù)協(xié)作機(jī)器人在作業(yè)中不僅需要將視覺、激光雷達(dá)、慣性測量單元等傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，同時(shí)還需要結(jié)合病人髖關(guān)節(jié)手術(shù)部位的生理特征數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷，給出最佳的手術(shù)輔助建議。未來手術(shù)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)將整合更多的軟硬件元素，并集成到一體，為更加復(fù)雜的外科手術(shù)提供更加便捷、安全的操作體驗(yàn)。

結(jié)語

手術(shù)協(xié)作機(jī)器人作為一個(gè)較為復(fù)雜的科技產(chǎn)品，其開發(fā)涉及整個(gè)工業(yè)體系的發(fā)展進(jìn)步，難以一蹴而就。盡管國內(nèi)手術(shù)協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展還處于相對(duì)初級(jí)階段，但國家對(duì)手術(shù)協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)給予了支持和重視，相關(guān)政策鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和臨床應(yīng)用，并提供相應(yīng)的資金支持。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和臨床實(shí)踐的積累，預(yù)計(jì)未來將會(huì)有更多的機(jī)構(gòu)和公司加入手術(shù)協(xié)作機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用中，推動(dòng)該領(lǐng)域的快速發(fā)展。但同時(shí)，仍需要克服國外技術(shù)壁壘、安全和法律等方面的挑戰(zhàn)，為手術(shù)協(xié)作機(jī)器人的廣泛應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。