当机器人走入手术室

李垚

更高精尖的医疗手术机器人

使机器人有“触觉感应”是一大调整，用以区分健康组织和肿瘤并进行手术

很多影迷一直被《星球大战：帝国反击战》中的打斗所迷，在达斯·维达的云城之战中，他用医疗机器人2-1B为卢克·天行者替换了机械手。虽然持手术刀的机器人还有很长的路要走，但是科学家们正在研究一种可以在人工监督下执行手术任务的设备。

新加坡国立大学材料科学与工程学助理教授Tee博士说，完全自动化的机器人外科医生研究已有很多年了，但目前看起来依然要依靠人类医生主导行为。

随着人工智能技术的不断突破，机器人在医疗领域的影响力也将日益凸显。手术机器人市场规模已达数十亿美元。伴随着下一代设备、系统和器械的发布，手术机器人将从目前的大型开放手术，覆盖到身体中的微小部分，预计 2021 年市场规模将达到 200 亿美元。

作为目前全球最成功及应用最广泛的手术机器人，Intuitive Surgical Inc.公司的达芬奇手术机器人（da Vinci）代表着当今手术机器人最高水平。实施手术时主刀医师不与病人直接接触，通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制，由机械臂以及手术器械模拟完成医生的技术动作和手术操作。作为医疗手术机器人行业的标杆，达芬奇机器人长期以来都是处在行业绝对领跑的位置，其发展历程基本可以看作是手术机器人逐渐拓展市场的过程。

約翰·霍普金斯大学的研究人员正在开发智能组织自主机器人STAR，该机器人能够自行执行具有挑战性的结肠手术步骤

自动执行平凡和重复性的任务（例如缝合）可以使外科医生专注于手术中更为关键和复杂的部分，并最大程度地减少与数小时的手术相关的精神和身体疲劳。根据医学院协会的预测，外科医生短缺状况正在恶化，到2033年，预计短缺人数将达到28700人，而今年预计短缺人数将达到5600人。新冠肺炎病毒的大流行还强调了在手术室中需要机器人帮助，以最大程度地减少工作人员和患者接触病毒的风险。

未来的血液可在实验室中制造

新冠肺炎病毒大流行导致世界范围内的无偿献血活动，这给已经进行了数十年的血液研究带来了紧迫性：人造血液生产的滞后。去年，日本防卫医科大学、奈良县立医科大学、早稻田大学组成的共同研究组表示，动物实验中已经用人造血液成功救治大量出血的兔子。血液是由血浆和血细胞成分组成，一旦往体内细胞输送氧的红细胞以及有止血功能的血小板大量流失，人体就会陷入危重状态。在该研究团队的实验中，对10只失血过多的模型兔子使用了人工血小板，其中6只获救。而使用兔子血液进行抢救的10只兔子中，有7只获救，两者结果较为相近。

到底什么是人造血液？人造血液，即把即将过期准备废弃的血液中的红细胞精制为血红蛋白。在此过程中，当然要消除细菌和病毒，然后再排除决定血型的糖锁。这样，A/O/B/AB型血的患者都可以使用人造血液。精制后的血红蛋白将被装入用脂质粒（细胞膜成分）制作的胶囊中，因此可以承担搬运氧分子的作用。

人造血液的好处不少。一是可以不必配型输入;二是可以降低感染几率;三是可以常温长时间保存;四是粒子比红细胞更小，可以在血浆中均等分布，可通过红细胞无法通过的狭窄部位;五是和老化的红细胞以同样的方式分解并被排泄。

值得注意的是，人造血小板聚集在伤口处，还能促进人体本身的血小板活跃。只不过，人造血液的功能在数日内会一点点减少，因此预计将主要运用于输血前的辅助。当然，人造血液的有效性和安全性还需要经过临床试验进行验证。如果验证了其安全性和有效性，在灾害、交通事故、分娩等手术中大出血的危急时刻，将提高伤患的救治成功率。

层出不穷的仿生能力

新加坡国立大学的一位研究人员拿着一块硅胶片，其中嵌入了用于触觉传感器的电子导体

STAR使用机器人缝合工具，可自动定位并旋转针头穿过猪肠

出于综合性的考虑和要求，目前实施医疗手术，需要对机器人基础的算法进行准确性测试。目前，一些国家的医疗、食品、药品监督管理局尚未批准自动手术机器人。这些机器需要考虑到解剖学上的差异或对手术期间出现的并发症做出适当的反应，这可能是无法预测的。

尽管如此，早期的迹象表明，机器人的手术能力最终可以比人类更高超，在一致地执行某些外科手术，从而可以最大程度地减少并发症。约翰·霍普金斯大学机械工程系的助理教授阿克塞尔·克雷格说：“这是机器人真正出类拔萃的东西——精度、可重复性、不知疲倦。”

新加坡国立大学和英特尔公司的研究人员还在尝试用机械化的硅手指模仿人类的手指触感。该设备每平方厘米约有100个传感器，数据通过一条连接到神经形态芯片的单线传输，神经形态芯片是一种计算机芯片，可以使用一部分传统计算机芯片的数据来训练AI模型。

Tee博士说，在今年的早期测试中，硅手指能够分辨出两个形状相似的物体中的哪一个更柔软，比眨眼的速度还快约十倍。在接下来的十年中，该技术可以并入触觉手套中，该手套使用压力、振动和运动来模拟虚拟物体的感觉，从而使外科医生可以远程执行操作并感受机器人的感觉。

在处理软组织的自主手术机器人中，有名声大噪的STAR，它的强项是缝合技术。STAR部分由机器学习提供动力，该机器学习用于检测组织运动。这样，机器人可以识别患者的呼吸并在正确的位置进行缝合。从理论上讲，机器人可以在缝线的间距和张力方面达到人类无法完成的水平。

缝合是指管状结构的闭合，通常是通过将组织缝合在一起来完成的。重新连接健康的结肠需要15到20针。哪怕一个针脚太松，患者都有可能发生后遗症，从而导致致命的感染，机器人“始终如一”的高质量缝合线可以减少此类并发症。有论文分析，无论是在离体还是在活体的吻合术中，STAR还要略优于熟练的外科医生和达芬奇手术系统，目前，STAR自主手术机器人正在逐步向临床阶段迈进。

为了使患者的风险和恢复时间最小化，心脏病专家通常更喜欢使用导管（一根细的柔性管，通过手臂、腹股沟、大腿或脖子插入）进入心脏，而不是割开人的胸部。但是用导管导航到心脏的右侧是一项艰巨的工作。由波士顿儿童医院小儿心脏生物工程负责人、哈佛医学院外科教授皮埃尔·杜邦领导的团队开发了一种可自行导航的机器人导管。在一项于去年结束的实验中，机器人导管能够避免有时在更换瓣膜后发生泄漏。

导管使用触觉视觉传感器进行导航，其中来自微型摄像机的图像与机器学习算法结合在一起，该算法可以判断导管尖端是否在接触血液、组织或瓣膜。导管到达修复部位后，外科医生接管并用一个类似于小金属塞的封堵器修补泄漏。杜邦博士说，自动导航将使外科医生腾出精力来专注于部署封堵器和优化瓣膜修复，就像目前汽车在自动驾驶上的等级设置一样，杜邦博士及其团队目前正在研究机器人导管的方法，以帮助进行更复杂的瓣膜修复。