30多年前，人們開始探索將機(jī)器臂用于外科手術(shù)。20年前，第一個(gè)商業(yè)系統(tǒng)在醫(yī)院安裝。在過去的十年中，醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。目前，世界各地已安裝的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)達(dá)數(shù)千個(gè)，已經(jīng)進(jìn)行的手術(shù)達(dá)數(shù)百萬例。隨著醫(yī)療系統(tǒng)對(duì)手術(shù)機(jī)器人的接受程度越來越高，機(jī)器人領(lǐng)域的研究者們?cè)絹碓疥P(guān)注下一代醫(yī)療機(jī)器人的樣子。
作者首先通過在Web of Science上搜索2010-2020年發(fā)表的關(guān)于醫(yī)療機(jī)器人的高被引論文，確定了8個(gè)熱門主題。這些熱門主題可以是與特定的臨床應(yīng)用相關(guān)（如腹腔鏡檢查機(jī)器人），也可以是與在醫(yī)學(xué)上有廣泛應(yīng)用的使能技術(shù)相關(guān)（如軟體機(jī)器人）。
10年來8個(gè)熱門話題的臨床應(yīng)用實(shí)例
如左上圖所示，工程和醫(yī)學(xué)類期刊上關(guān)于醫(yī)療機(jī)器人的文章從1990年的6篇大幅增長到2020年的3,500多篇。由于達(dá)芬奇機(jī)器人的成功，腹腔鏡機(jī)器人的論文占到醫(yī)學(xué)類期刊論文總數(shù)的60 - 70%，2020年發(fā)文量達(dá)到1,300多篇論文。隨著這項(xiàng)技術(shù)的成熟，腹腔鏡工程類論文在2019年達(dá)到峰值126篇。
開放平臺(tái)內(nèi)窺鏡手術(shù)機(jī)器人Open platform laparoscopic robots
外科手術(shù)自動(dòng)化Surgical automation
導(dǎo)航、術(shù)中成像和可視化Navigation, intraoperative imaging, and visualization
接觸力感知與控制Contact force sensing and control
單斷口內(nèi)窺鏡手術(shù)機(jī)器人Single-port laparoscopic robots
可分離外科手術(shù)機(jī)器人Detached surgical robots
非內(nèi)窺鏡手術(shù)專用機(jī)器人Nonlaparoscopic procedure–specific robots
腔內(nèi)和自然開口手術(shù)Endoluminal and natural orifice surgery
微外科手術(shù)Microsurgery
輔助可穿戴機(jī)器人
輔助可穿戴機(jī)器人專注于機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制，旨在提高肌肉骨骼或神經(jīng)肌肉損傷個(gè)體的機(jī)動(dòng)性或功能性。這一領(lǐng)域突出的進(jìn)展包括為上、下肢截肢患者開發(fā)的機(jī)械假肢（也稱為動(dòng)力假肢），為神經(jīng)肌肉損傷患者，如脊髓損傷、中風(fēng)、多發(fā)性硬化癥或腦癱患者開發(fā)的外骨骼（也稱為動(dòng)力矯正器）。盡管這個(gè)領(lǐng)域其歷史根源至少可以追溯到20世紀(jì)60年代初，但直到2010年~2020這十年，人們才完全意識(shí)到該技術(shù)的出現(xiàn)。
治療康復(fù)機(jī)器人
在2010-2020年間，康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在四個(gè)領(lǐng)域。第一個(gè)是新穎的外骨骼樣式設(shè)計(jì)，關(guān)注上肢的遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)，并在驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)上都融入了柔順性和軟體材料。第二是新控制算法的開發(fā)，以調(diào)節(jié)人與機(jī)器人之間的交互，以最大限度地提高人的參與性。第三是意圖檢測(cè)方法的創(chuàng)造，以推斷和支持病人想要的動(dòng)作，而不是規(guī)定或預(yù)先編程機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。第四是對(duì)神經(jīng)恢復(fù)進(jìn)行客觀和定量評(píng)估的機(jī)器人裝置的推廣使用。
未來的研究工作將越來越集中于更好地理解神經(jīng)可塑性的機(jī)制，包括如何可靠地誘導(dǎo)和利用它，以最大限度地提高治療效果。這些努力越來越依賴于神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)步，包括記錄神經(jīng)元活動(dòng)的新技術(shù)。機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步也對(duì)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)至關(guān)重要，包括開發(fā)更適合的設(shè)備和更精確的傳感和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，嵌入到康復(fù)機(jī)器人上，識(shí)別上肢和下肢末端的自由度，最大程度促進(jìn)肢體從新獲得獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力、恢復(fù)其功能。最后，先進(jìn)的控制算法可以更精確地實(shí)時(shí)描述患者的狀態(tài)，不僅可以調(diào)整完成運(yùn)動(dòng)所需的設(shè)備支持水平，而且還可根據(jù)需要施加適當(dāng)?shù)淖枇蛱魬?zhàn)。
膠囊機(jī)器人
傳統(tǒng)的膠囊機(jī)器人采用嵌入式驅(qū)動(dòng)，即利用內(nèi)部的微型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制膠囊運(yùn)動(dòng)。然而，將復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，包括充足的電源裝置，都集成到一個(gè)膠囊里（典型膠囊的直徑僅有11mm，長24mm），是非常不切實(shí)際的。
為解決上述局限性，磁驅(qū)動(dòng)應(yīng)運(yùn)而生。磁性耦合的使用繞過了復(fù)雜的機(jī)構(gòu)和嵌入式電源，從而減小了設(shè)備的整體尺寸和復(fù)雜性。這種驅(qū)動(dòng)方式通過外部產(chǎn)生的磁場(chǎng)來精確地控制膠囊的定位和誘導(dǎo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。醫(yī)用膠囊機(jī)器人現(xiàn)已成為臨床上可行的標(biāo)準(zhǔn)介入內(nèi)窺鏡檢查的替代品。
下一個(gè)10年，結(jié)合多模態(tài)成像（如多光譜、自體熒光、微超聲）和微/納米機(jī)器人技術(shù)，膠囊機(jī)器人的智能磁控制可能會(huì)帶來前所未有的診斷和治療能力。除了臨床用途，膠囊機(jī)器人還可以作為一個(gè)研究平臺(tái)，深入人體內(nèi)部解決其他科學(xué)問題，如微生物群。
醫(yī)學(xué)軟體機(jī)器人
軟體機(jī)器人本質(zhì)上是柔順結(jié)構(gòu)和智能材料，從一開始就與仿生學(xué)和生物靈感密切相關(guān)。另一方面，人們對(duì)柔順體仿生機(jī)器人日益增長的興趣，也促進(jìn)了智能材料的研究，這些智能材料可從宏觀尺度到納米尺度，用于制造軟體機(jī)器人或?yàn)槠涮峁﹤鞲泻万?qū)動(dòng)能力。
回顧過去10年的文獻(xiàn)，有許多關(guān)于軟體仿生機(jī)器人各種各樣應(yīng)用的基礎(chǔ)性綜述或調(diào)查性論文，也有許多關(guān)于新型智能材料的研究論文和綜述，其中，傳統(tǒng)的硅基傳感技術(shù)被具有智能行為的硅基技術(shù)所取代。
就過去10年的高被引論文，排除材料研究論文和調(diào)查性論文，可以將軟體機(jī)器人分成兩類:一種是用于康復(fù)或人體增強(qiáng)的可穿戴軟體機(jī)器人。第二種包括介入和外科手術(shù)機(jī)器人或相關(guān)組件。
醫(yī)用連續(xù)機(jī)器人
連續(xù)體機(jī)器人通過彎曲變形而不是通過離散關(guān)節(jié)來改變形狀，與傳統(tǒng)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)相比，由于能夠?qū)崿F(xiàn)3D變形，這種機(jī)器人可通過更小的手術(shù)通道進(jìn)行手術(shù)。它們可以通過自然開口進(jìn)入人體內(nèi)，通過體內(nèi)腔導(dǎo)航，在通過實(shí)體組織時(shí)繞過關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，連續(xù)體機(jī)器人的彎曲順應(yīng)性也提高了其安全性。
結(jié)論
醫(yī)療機(jī)器人學(xué)術(shù)研究的進(jìn)步，將使未來的工程研究前途無量。這需要了解機(jī)器人及其底層技術(shù)如何使醫(yī)學(xué)增值。盡管在幾乎所有其他行業(yè)，普遍認(rèn)為機(jī)器人作為自主體以降低人力成本，但醫(yī)療機(jī)器人，至少到目前為止，都是在非應(yīng)用方面（application-dependen）帶來附加值。
在指導(dǎo)機(jī)器人技術(shù)研究以實(shí)現(xiàn)增值最大化的過程中，最重要的技術(shù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)完全新型的干預(yù)，這些干預(yù)在目前看來，是基于現(xiàn)有技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)或者不切實(shí)際的。在未來十年，軟體機(jī)器人很可能成為一項(xiàng)非常重要的使能技術(shù)。目前大部分最有前景的工作都是在材料領(lǐng)域，涉及帶有嵌入式傳感器和驅(qū)動(dòng)器的薄聚合物層制造。雖然目前這項(xiàng)工作看似與醫(yī)療應(yīng)用很遙遠(yuǎn)，但這些能力可能會(huì)對(duì)介入、康復(fù)和輔助機(jī)器人產(chǎn)生巨大影響。其他的傳感、成像、驅(qū)動(dòng)和儲(chǔ)能等使能技術(shù)可能會(huì)為消費(fèi)類電子產(chǎn)品帶來跨越式發(fā)展。
一項(xiàng)技術(shù)除了能夠催生出一種新的手術(shù)型式外，如果它可以使醫(yī)療機(jī)器人增值，那意義也是非凡的。術(shù)前和術(shù)中成像與靈活的、符合人體工程學(xué)的增強(qiáng)手術(shù)工具相結(jié)合就是一個(gè)很好的例子，代表了過去10年的重大貢獻(xiàn)。這種方法的價(jià)值可能在未來還會(huì)持續(xù)。將實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞和分子成像轉(zhuǎn)化到體內(nèi)原位手術(shù)中，為宏觀和細(xì)胞級(jí)的治療提供改善的組織探測(cè)、標(biāo)記和靶向，將進(jìn)一步擴(kuò)大手術(shù)干預(yù)的功能能力。通過簡化術(shù)中決策制定與優(yōu)化，并使其具有更高的一致性和準(zhǔn)確性，避免潛在的術(shù)后并發(fā)癥，該方法能夠從根本上改變手術(shù)路徑規(guī)劃。
另外一種機(jī)器人增值的方式是通過自主性。醫(yī)療機(jī)器人自主性的技術(shù)前沿，對(duì)應(yīng)于賦予機(jī)器人基于實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)制定和改變其計(jì)劃和運(yùn)動(dòng)的能力。例如自主腹腔鏡手術(shù)切除癌性病變或自主經(jīng)導(dǎo)管心臟瓣膜修復(fù)。這種程度的自主不僅帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn)，還帶來了監(jiān)管、倫理和法律方面的挑戰(zhàn)，這些問題尚未完全解決，并將提高商業(yè)化成本。因此，在現(xiàn)有的醫(yī)療機(jī)器人中逐步增加這種自主功能將會(huì)容易得多，這些機(jī)器人的價(jià)值可以在不考慮自主功能的情況下得到證明。例如腹腔鏡手術(shù)的自動(dòng)縫合，靈活內(nèi)窺鏡的自主導(dǎo)航，或心臟內(nèi)自主電生理導(dǎo)管定位。
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