外科手術協作機器人發展現狀和未來方向

劉春華

近年來，隨著人工智能的發展，有著“大腦”的智能協作機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）將在未來幾年出現爆發式增長。AIGC 應用于協作機器人是時代所趨，而高度智能化和專業化的協作機器人非常符合人們對未來工作生活的憧憬。

在醫療領域，手術協作機器人（Collaborative Robots） 已被廣泛應用于各大醫院的手術室中，其通過結合機器人技術和圖像導航等先進技術，可以提供更高的手術精確度，實現更小的創傷和更快的康復速度，在近幾年里成為醫療領域中的一顆新星。例如，骨科手術協作機器人是一類發展較為成熟的醫用電氣設備系統，在我國一些大型醫院進行的髖關節、膝關節等手術中協助主刀醫生進行手術作業，使得患者的手術過程更加便捷和安全。

外科手術協作機器人主要結構概述

2016年2月，國際標準化組織針對協作機器人發布了工業標準，其中對“協作”進行了定義:“一個特定設計的機器人系統與操作者在同一工作環境下協同工作的狀態”[1]。該標準明確了協作機器人的安全設計準則。符合標準的協作機器人將足夠安全，不再需要防護欄進行隔離。因此，外科手術用的協作機器人并非是能夠自主完成手術作業的全智能機器人，而是輔助醫生進行手術作業的機器人，可與手術醫生近距離合作，大大提高手術效率和手術安全性。

從硬件結構組成看，外科手術協作機器人主要包括機器人本體、中空力矩電機、諧波減速機、伺服驅動器及控制器等部分。從功能組成看，主要可分為機械臂系統、信息采集與處理系統、控制系統和醫生操作界面系統等。從設計上來說，其系統構架一般遵循建模、規劃和執行3 個原則[2]。建模階段完成對患者手術信息的采集、處理和分析；規劃階段通過整合綜合信息，進行分析研判，確定手術方案；執行階段是通過其自動化機械臂輔助醫生實現手術方案。3 個階段相輔相成，在計算機高速計算中瞬時完成。

國內外發展現狀

1.國外發展現狀

協作機器人的概念最早于20世紀90年代在美國被提出，經過多年的發展，外科手術協作機器人在國外市場上得到了廣泛應用。如美國直覺外科公司（Intuitive Surgical）的達芬奇機器人、美敦力（Medtronic） 的Hugo RAS 腹腔鏡手術機器人、史賽克（Stryker）的MAKO 機器人。這些手術協作機器人系統已經在許多醫療場景中得到應用，包括心臟和血管手術、胸腔外科手術、泌尿外科手術、婦產科手術、骨科手術等，并取得了良好的臨床效果。

一方面，由于發展得早，技術基礎更加深厚，發達國家在手術協作機器人領域已經形成了較為完善的研發和應用技術內循環。更多的研發投入，能夠出現更廣泛的應用和更多的創新。國外最近的研究還探索了自適應外科手術協作機器人的概念。這種協作機器人系統可以根據實時的手術情況和醫生的操作，自動調整和優化手術方案和操作策略[3]。并且它能夠根據不同患者的創口特征和手術需求，提供個性化的手術支持。這種技術就是先進人工智能和高性能硬件的深度結合。例如，美國直覺外科公司開發的達芬奇機器人微創外科手術系統是目前世界范圍應用最廣泛的一種智能化手術平臺，應用在普腹外科、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手術中[4]。該系統的手術操作部分已可完成7 個自由度的操作，由外科醫師在遠程工作站進行遙控，具有整合三維成像、觸覺反饋和寬帶遠距離控制等功能。

另一方面，發達國家幾乎壟斷著協作機器人的核心零部件。一臺高性能的協作機器人缺失不了最核心的零部件，比如中空伺服電機、諧波減速器、模塊化編碼器、伺服驅動器及高性能傳感器等。例如，電機是協作機器人的動力來源，傳統的伺服電機無法用于機械臂中，只能采用中空伺服電機進行內部走線。中空伺服電機具有中空的軸心孔，可以通過軸心孔傳遞氣體、液體、光纖等信號或物質。它結合了傳統伺服電機的動力驅動功能和中空軸的特殊設計。美國的科爾摩根（Kollmorgen）、日本的安川電機、德國的西門子等企業幾乎壟斷了高端中空伺服電機市場。再如，被廣泛用于高端手術協作機器人的一種軟性傳感器，它可以彎曲和變形，在人體腔腹內靈活變動，減小對人體的創傷。2023年5月，美國斯坦福大學最新開發了一種名為“電子皮膚（electronic skin）”的柔性傳感器技術，可以實現高靈敏度的觸摸感知和形變測量[5]。而當前能夠商業化生產高性能柔性傳感器的只有美國、德國等少數國家。

2.國內發展現狀

手術協作機器人的開發涉及整個工業體系的進步和發展，我國整體起步較晚，尚未在醫療機構中大規模普及應用。目前，雖然歐美等發達國家和地區控制著手術協作機器人的主要生產和專利技術，但我國經過這幾年的投入，國內手術協作機器人產業已經取得了快速的發展。

2019年，中國科學院沈陽自動化研究所與北京大學人民醫院合作成功完成了“智行者”手術機器人在心臟手術中的應用。這是國內手術機器人在心臟外科領域的重要進展，為手術機器人在更多領域的應用提供了經驗和參考。次年，中國科學院沈陽自動化研究所發布了第三代手術機器人系統--“智行者Ⅲ”手術機器人。該系統在機器人結構、操作控制和感知技術等方面進行了改進和優化，進一步提升了手術機器人的性能和可靠性。國內企業中，中科創星科技投資有限公司、大博醫療科技股份有限公司（簡稱大博醫療）、深圳市精峰醫療科技股份有限公司（簡稱精峰醫療）等公司也各自推出了自主研發的手術協作機器人系統，并在一些醫療機構取得了不錯的臨床效果。這些公司在機器人硬件、操作系統和感知技術等方面進行了大量的技術創新。例如，大博醫療研發的膝關節手術機器人系統，已經在臨床試驗中取得了專家醫生的高度認可。精峰醫療2023年研發的單孔手術機器人系統，令醫生利用5G 網絡完成了遠程雞蛋剝殼，雞蛋膜縫合試驗，這已經代表了該領域最前沿的技術[6]。

當前國內手術協作機器人產業發展仍面臨很大的挑戰，包括精密零部件開發、技術創新、標準制定、臨床驗證及市場推廣等方面的問題。然而，隨著技術的不斷進步和市場需求的增長，預計未來幾年國內手術協作機器人產業將迎來更多的機遇和發展空間。

未來發展方向

1.智能化方向

人工智能技術的突破式發展，尤其以大語言模型為基礎的生成式人工智能的出現在科技圈掀起了一輪激烈競爭。我國在人工智能領域的技術是走在前沿的。在此背景下，進行更專業化的醫學語言知識訓練，建立醫療垂直領域的大語言模型也成了醫療行業熱門的研究方向之一。通過深度卷積神經網絡等技術，手術機器人可以學習和識別復雜的視覺模式，如人體傷口、手術器具和場景等，同時結合病人各項實時生理指標等數據，根據手術協作機器人深度學習到的醫學知識，進行臨床判斷和操作。這使得手術機器人能夠更好地與專業醫生進行交互，并執行更復雜的手術任務[7]。甚至在可預想的將來，手術協作機器人成為獨立的智能手術機器人，其手術作業可以完全脫離人工的干預，完成高精度的手術任務，最終使得其成為集大成的外科手術專家。

另外，5G 技術的發展也為手術協作機器人智能化帶來了新機遇。5G 網絡的高速和低延遲使得遠程操控手術協作機器人變得更加便捷，從而提高診斷和治療的效率。

2.傳感技術方向

傳感技術在智能機器人應用中是最為關鍵的技術之一，是智能機器人感知外部信息的窗口。因此，傳感技術的優劣決定著智能機器人對外部信息判斷的準確度。在醫用外科手術協作機器人領域，更加專業化、精準化的視覺傳感是核心技術之一。

視覺傳感技術在近些年得到了巨大的進步。在目標識別、姿態估計、場景理解等方面取得了重大突破。同時，超高分辨率的攝像頭和圖像處理算法使得手術機器人能夠實時感知和理解周圍的環境。一方面，跨模態感知技術是手術協作機器人重要的發展方向。例如，利用手術中的觸覺、力量等傳感器來感知手術場景，并將其感知到的信息整合在一起，進行決策和行動。另一方面，柔性傳感技術也得到快速發展，被逐步用于手術協作機器人的感知技術中。其主要利用柔性材料和觸覺傳感器來實現機器人的觸覺感知。這種技術使得手術協作機器人能夠更加精確感知和處理手術中人體創口的形狀、骨骼的硬度、體溫等信息，從而實現更精細的操作和交互。

3.精密機械臂

機械臂是外科手術協作機器人最重要的核心硬件，一個高性能的機械臂，決定著整套系統的實用性和安全性。機械手臂在人類發展歷史上可以追溯到幾個世紀以前，經過一代代無數人的努力，現代工業機器人機械臂技術已經較為成熟，但是從其機械精密度和穩定性方面，相關技術還是被歐美等發達國家和地區壟斷，尤其7 軸以上的機械臂，我國相關生產技術與發達國家還有一定的差距。

就精密機械臂方面，未來有如下幾個發展方向：一是剛性和輕量化設計。為了減小機械臂自身的振動和形變，通常需要采用剛性材料進行結構設計，但是，為了降低機械臂的質量和慣性，也需要對其進行輕量化設計。如采用高強度的復合材料和空心結構等技術，可以讓機械臂保持剛性的同時減輕自身質量，提高其動態響應和精度。二是多關節和靈活性設計。多關節設計使得機械臂可以在多個自由度上進行靈活的運動。增加關節數目，機械臂可以實現更復雜更精細的操作，同時機械復雜程度也大大增加[8]。此外，利用柔性材料進行機械臂設計也是當前的一個研究熱點，其可以在運動中實現更大的變形能力和適應性，在更復雜的作業環境中進行靈活操作。三是自適應高精度控制。為了讓機械臂實現更高的自適應控制精度，就需要更精密的傳感器和自適應控制算法。例如，在骨科協作機器人作業中，采用光學編碼器、激光測距儀等來實時監測機械臂的運動軌跡和力量控制，同時配合相應的自適應控制算法來實現精確的骨骼切割等作業。

4.控制系統及相關軟件方向

外科手術協作機器人系統不僅要擁有高性能的機器臂，還要具備一套與之相對應的軟硬件系統，包括機器人調試、運行控制、術中信息記錄、參數分析與判斷等應用。例如，髖關節手術協作機器人在作業中不僅需要將視覺、激光雷達、慣性測量單元等傳感器的數據進行融合，同時還需要結合病人髖關節手術部位的生理特征數據進行綜合判斷，給出最佳的手術輔助建議。未來手術協作機器人系統將整合更多的軟硬件元素，并集成到一體，為更加復雜的外科手術提供更加便捷、安全的操作體驗。

結語

手術協作機器人作為一個較為復雜的科技產品，其開發涉及整個工業體系的發展進步，難以一蹴而就。盡管國內手術協作機器人的發展還處于相對初級階段，但國家對手術協作機器人產業給予了支持和重視，相關政策鼓勵技術創新、產業發展和臨床應用，并提供相應的資金支持。隨著技術的不斷進步和臨床實踐的積累，預計未來將會有更多的機構和公司加入手術協作機器人技術的研發和應用中，推動該領域的快速發展。但同時，仍需要克服國外技術壁壘、安全和法律等方面的挑戰，為手術協作機器人的廣泛應用打下堅實基礎。