随着技术的发展，机器人的应用领域越来越广泛，其执行的任务也越来越复杂。那么，机器人是否可以帮助我们做手术呢？未来是否有可能会出现无需人类就可以做手术的机器人吗？

今天，我们共同关注机器人。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

从自动驾驶到自动手术

2004年，美国国防高级研究计划局（DARPA）悬赏100万美元，奖励给任何能够设计出自动驾驶汽车的团队，这种汽车不仅要可以实现自动驾驶，而且要能够从加利福尼亚州的巴斯托穿越142英里的崎岖地形，到达内华达州的普里姆。

13年后，美国国防部宣布了另一个悬赏，这次不是授予机器人汽车，而是授予可自主手术的机器人医生。

自20世纪80年代，机器人就已经出现于手术室中，用于诸如固定病人四肢之类的事情，后来还用于腹腔镜手术。在手术中，外科医生可以遥控机器人手臂通过小孔而不是巨大的切口对人体进行手术。

但在大多数情况下，这些机器人本质上只是外科医生使用了几个世纪的手术刀或手术钳的超高级版本——诚然，它们非常复杂，能够以令人难以置信的精确度操作，但仍然只是外科医生手中的工具。

现如今，在该奖项宣布的五年后，工程师们正在逐步建造独立的机器，不仅能切割或缝合，还能规划切割、随机应变和适应。研究人员正在提高机器应对人体复杂情况的能力，以及与人类医生相互配合的能力。

但美国国防部设想的真正自主的机器人外科医生——就像真正的无人驾驶汽车一样——可能还有很长的路要走。不过机器人医生面临最大的挑战可能不是技术，而是说服人们接受并使用它们。

它是协助医生进行腹腔镜手术的最广泛使用的设备之一。

驾驭不可预测性

就像司机一样，外科医生必须学会驾驭特定的环境，这在理论上听起来很容易，但是实际却非常复杂。现实生活中的道路有车流、施工设备和行人等，所有这些都不一定会在谷歌地图上显示出来，而司机必须学会避开。

同样，虽然人类的身体大体上是相似的，但正如儿童电影里说的：我们的内在都是特别的。器官的精确大小和形状、瘢痕组织的存在以及神经或血管的位置往往因人而异。

西雅图华盛顿大学医学中心的妇科肿瘤学家和外科主任Barbara Goff说：“每个患者间都存在很大的差异，我认为这可能具有挑战性。”她使用腹腔镜手术机器人已经有十多年了，这种机器人不会自己移动，但可以“翻译”外科医生的手术动作。

事实上，身体会移动这一特点，让事情变得更加复杂。

一些机器人已经展示了一定程度的自主权，其中一个经典的例子是一个名为ROBODOC的设备，它可以用于髋关节手术，刮除髋臼周围的骨头。骨头相对其它组织更容易处理，一旦固定在某处就不会到处移动。

“骨头不会弯曲，如果它们会的话，就会带来更大的问题。”柯尼卡美能达公司的专家Aleks Attanasio说，他曾为《控制、机器人学和自动化系统》2021年年度评论写过外科手术中的机器人的文章。

不幸的是，身体的其他部分不太容易固定。比如，机体会发生肌肉收缩，胃会咕咕叫，大脑会颤动，肺会扩张收缩，这些动作甚至在外科医生进入机体开始操作之前就会发生。人类外科医生可以明显地看到并知道它们在做什么，但机器人怎么知道它的手术刀是否在正确的位置，或者组织是否移位了呢?

对于这种动态情况，最有希望的选择之一是使用摄像机和复杂的跟踪软件。例如，在2022年初，约翰·霍普金斯大学的研究人员使用了一种名为智能组织自主机器人（简称STAR）的设备，在一头被麻醉的猪身上缝合了被切断的肠道的两端——如果没有这种视觉系统，这可能是一项非常棘手的任务。

操作员使用荧光胶水在肠的末端进行标记，从而制造出机器人可以追踪的记号。与此同时，摄像头系统利用投射到该区域的光点网格创建组织的3D模型。这些技术使机器人能够看到它前面的东西。

“我们的视觉系统真正的特别之处在于，它不仅可以重建组织的形状，而且它的速度足够快，可以实现实时，”STAR系统的联合设计师、约翰·霍普金斯大学工程学博士生Justin Opfermann说，“如果在手术过程中有什么东西动了，你可以检测并跟踪它。”

然后，机器人可以使用这些视觉信息来预测最佳的行动方案，向操作者提供不同的方案供其选择，或者在缝合过程中与操作者进行核对。在试验中，STAR自身运行良好——尽管没有那么完美。总的来说，83%的缝合线是可以自主完成的，但还有17% 需要人工干预来纠正错误。

Opfermann说：“83%的问题是肯定可以克服的。”他表示，最主要的问题是机器人在某些角落找不到合适的角度，需要人工把它推到正确的位置。最新的、尚未发表的试验现在的成功率高达90%。在未来，人类可能只需要批准机器人提交的计划，然后看着它运行，而不需要对其进行干预。

从20世纪70年代NASA的早期设计开始，手术机器人的能力逐渐增强。最终，它们可能能够在没有人类外科医生干预或监督的情况下，自己做出并执行决定。

通过安全测试

不过，就目前而言，对于机器人而言，仍然需要有人坐在“驾驶员”的位置上。对于许多不同的自主机器人来说，这种情况可能会持续一段时间：虽然理论上我们可以把全部决策权交给机器人，但这确实提出了一个问题，一个同样困扰着无人驾驶汽车的问题。

“如果这些活动出错了怎么办？”Attanasio说，“如果汽车出了事故怎么办？”

目前的普遍观点是，让人类最终掌控局面是最好的——至少扮演监督角色，审查和批准程序，并在紧急情况下随时待命。

即便如此，向医院和监管机构证明自主机器人既安全又有效，可能是真正无人化机器人进入手术室的最大障碍。专家们对如何解决这个问题有一些看法。

Attanasio认为，比如设计师可能需要向监管机构准确解释机器人是如何思考并决定下一步该怎么做的，特别是如果它们发展到不仅可以帮助人类外科医生，而且可以自己行医的地步。

不过，这种解释可能说起来容易做起来难，因为目前的人工智能系统可能不会给观察者留下多少关于它们如何决策的线索。因此，工程师们可能需要从一开始就把“可解释性”考虑在设计中。

Attanasio的伙伴英格兰利兹大学的生物医学工程师Pietro Valdastri认为，可能没有制造商能够轻松解决监管问题，但他确实有一个变通解决办法。“这里的解决方案是制造一个系统，它虽然是自动化的，但它本身也是安全的。”这意味着下一代手术机器人可能不像跑车，而更像碰碰车。

Valdastri正在研究所谓的软体机器人，特别是用于结肠镜检查。传统上，结肠镜检查需要将一根带有摄像机的软管（内窥镜）蜿蜒穿过肠道，以寻找结肠癌的早期迹象。

医生通常建议45岁以上的人要接受这种手术，以检查是否存在结直肠癌。但要熟练使用内窥镜需要很长时间和大量的培训。由于缺乏受过正规培训的操作员，等待检查的人数激增。

按照Valdastri的说法，如果使用一个可以自动驾驶的智能机器人将让这项工作变得容易得多——就像在电子游戏中驾驶汽车一样。医生就可以专注于手头的事情：发现癌症的早期迹象。

在这种情况下，由柔软材料制成的机器人，本质上比更坚硬的设备更安全。它甚至可能会减少麻醉或镇静剂的需求，因为它可以更容易地规避挤压肠壁。而且由于机器人没有办法自己切割或电击任何东西，监管机构可能更容易接受。

Opfermann表示，随着技术的发展，自主机器人最初可能只会在一些更简单的任务上获得批准，比如拿着相机。随着越来越多的基础工作得到批准，这些任务可能会形成一个自主系统。

他说，在汽车方面，我们首先有了巡航控制，然后有了刹车辅助、车道辅助、甚至辅助停车——所有这些都朝着无人驾驶的方向发展。

Opfermann说：“我认为这将是类似的，我们看到小型的、自主的任务最终被连接到一个完整的系统中。”

作者｜James Gaines

编译｜吴一尘

审校｜617

编辑｜豫小鱼

来源 | 肠道产业 2022-09-20 

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