機(jī)器人學(xué)是一門具有前瞻性的學(xué)科，旨在幫助人類克服一些重大挑戰(zhàn)。然而，在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，清楚地了解研究界最近取得的成就，以及這些工作在臨床需求和商業(yè)化方面的地位，對(duì)于規(guī)劃未來發(fā)展路徑十分重要。近日，哈佛醫(yī)學(xué)院通過一篇綜述文章分析了過去十年醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的八個(gè)關(guān)鍵研究主題，通過搜索標(biāo)準(zhǔn)確定了十年中被引用最多的論文，目的是為讀者提供一種便捷的方式，可以快速認(rèn)知過去十年來，科學(xué)家在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域取得的一些最激動(dòng)人心的進(jìn)展，該綜述文章已發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》（Science Robotics）期刊上。早在 30 多年前，第一批機(jī)器人學(xué)家就開始探索使用機(jī)器人進(jìn)行外科手術(shù)。20 年前，第一批商業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)安裝在醫(yī)院。在過去十年內(nèi)，醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，目前世界各地的大型醫(yī)院都安裝了機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，并進(jìn)行了數(shù)百萬次手術(shù)。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明顯，機(jī)器人學(xué)研究者越來越關(guān)注下一代醫(yī)療機(jī)器人的形態(tài)，注意力不限于外科機(jī)器人，也包括執(zhí)行身體康復(fù)的機(jī)器人、用于患者與非現(xiàn)場醫(yī)護(hù)人員互動(dòng)的臨場感機(jī)器人、藥房自動(dòng)化、用于診所消毒的機(jī)器人等等。
圖｜10 年中 8 個(gè)熱門話題的臨床應(yīng)用示例（來源：Science Robotics）
醫(yī)療機(jī)器人最初是為了讓外科醫(yī)生能夠遠(yuǎn)程操作或提高對(duì)患者的精確性而開發(fā)的，但科研人員通常會(huì)將目光投向更遠(yuǎn)的未來，超越商業(yè)開發(fā)活動(dòng)，評(píng)估過去十年的研究活動(dòng)，有助于瞥見未來幾十年醫(yī)學(xué)機(jī)器人將走向何方。
研究人員通過搜索 2010-2020 年期間《科學(xué)》雜志上被引用最多的醫(yī)療機(jī)器人論文，確定了八個(gè)熱門研究主題，包括機(jī)器人腹腔鏡、用于微創(chuàng)手術(shù)的非腹腔鏡機(jī)器人、輔助穿戴式機(jī)器人、治療康復(fù)機(jī)器人、膠囊機(jī)器人、磁驅(qū)動(dòng)、軟體機(jī)器人和連續(xù)體機(jī)器人等。
圖｜熱門研究主題（來源：Science Robotics）
數(shù)據(jù)顯示，工程和醫(yī)學(xué)期刊上關(guān)于醫(yī)療機(jī)器人的出版物數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長，從 1990 年的 6 篇增至 2020 年的 3500 多篇。醫(yī)學(xué)期刊論文主要是關(guān)于腹腔鏡機(jī)器人的出版物（占總數(shù)的 60% 至 70%），伴隨著達(dá)芬奇外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的成功，2020 年發(fā)表的相關(guān)論文超過 1300 篇。
圖｜達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)
腹腔鏡手術(shù)相關(guān)的工程論文在 2019 年也達(dá)到了 126 篇的高峰，工程論文主要是治療康復(fù)和輔助可穿戴機(jī)器人，過去十年內(nèi)，《醫(yī)療機(jī)器人》期刊 80% 的論文都與這兩個(gè)主題有關(guān)。然而，值得注意的是，這些主題的醫(yī)學(xué)論文數(shù)量不到工程論文數(shù)量的2 5%。這可能是因?yàn)獒t(yī)學(xué)期刊論文經(jīng)常報(bào)道臨床試驗(yàn)的結(jié)果，這比工程研究的成本和時(shí)間都要高。此外，磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)是日趨成熟的，可以觀察到工程和醫(yī)學(xué)論文呈指數(shù)增長，這一主題的持續(xù)發(fā)展一定程度上取決于微型機(jī)器人的臨床應(yīng)用能否得到發(fā)展。軟機(jī)器人學(xué)論文的圖表顯示，該主題仍處于開發(fā)周期的早期。
圖｜1990 年至 2020 年，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)論文發(fā)表在工程和醫(yī)學(xué)期刊論文上的增長趨勢（來源：Science Robotics）
連續(xù)體機(jī)器人技術(shù)是不尋常的，因?yàn)槭謩?dòng)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)體式醫(yī)療器械早在 1990 年就存在了。近幾十年來，新的連續(xù)體機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)得到了發(fā)展，使這些設(shè)備成為機(jī)器人的關(guān)鍵進(jìn)展不是機(jī)械設(shè)計(jì)，而是數(shù)學(xué)建模，關(guān)于這一主題的醫(yī)學(xué)論文起步緩慢，但新的臨床系統(tǒng)開發(fā)會(huì)讓相關(guān)論文不斷增多。膠囊機(jī)器人是最不成熟的，但卻是最專業(yè)的熱門話題技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可能正處于拐點(diǎn)。如果這些機(jī)器人的能力能夠被證明足以取代目前的臨床方法，那么對(duì)這個(gè)主題的興趣將加速，有證據(jù)表明，磁驅(qū)動(dòng)下的軟膠囊機(jī)器人就是這種情況，這種方法有可能在消化道內(nèi)進(jìn)行無創(chuàng)診斷和治療。
腹腔鏡機(jī)器人技術(shù)可能是醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)中最成熟、商業(yè)上最成功的子領(lǐng)域。在過去十年中，在三個(gè)方面取得了進(jìn)展：臨床、商業(yè)和學(xué)術(shù)，越來越多的研究是在臨床上進(jìn)行的，例如，關(guān)于根治性前列腺切除術(shù)、膀胱癌根治性膀胱切除術(shù)、直腸癌切除術(shù)和子宮切除術(shù)的研究。在商業(yè)上，過去十年見證了達(dá)芬奇機(jī)器人的不斷進(jìn)化發(fā)展，該系統(tǒng)能夠在機(jī)械臂上安裝內(nèi)窺鏡和腹腔鏡器械、半自動(dòng)手臂和患者推車定位，以及改進(jìn)器械耦合，使用增長迅速，根據(jù)其年度報(bào)告，2019 年完成了 120 多萬個(gè)手術(shù)程序。與此同時(shí)，在過去十年中，達(dá)芬奇機(jī)器人的開發(fā)商直覺手術(shù)（ISRG）公司在機(jī)器人腹腔鏡手術(shù)中占據(jù)壟斷地位開始失效，導(dǎo)致幾家大型醫(yī)療設(shè)備公司啟動(dòng)了開發(fā)自己的機(jī)器人的計(jì)劃，目前正在引進(jìn)市場。十年來，學(xué)術(shù)研究在兩個(gè)方面取得了進(jìn)展。第一個(gè)是使用腹腔鏡機(jī)器人作為開發(fā)增強(qiáng)能力的平臺(tái)，這方面的主要子主題包括：研究用開放式平臺(tái)機(jī)器人的引入、外科自動(dòng)化發(fā)展的初步努力，以及將力傳感集成到腹腔鏡工具的持續(xù)工作。第二個(gè)研究方向是考慮新的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，可以減少手術(shù)的侵入性。具體而言，這個(gè)領(lǐng)域包含很多細(xì)分研究，例如：1）開放平臺(tái)，研究小組開發(fā)自己的腹腔鏡機(jī)器人系統(tǒng)是一項(xiàng)巨大而重復(fù)的任務(wù)，認(rèn)識(shí)到這一需求，兩個(gè)小組為研究社區(qū)引入了開源機(jī)器人平臺(tái)，一個(gè)是 Raven II，這是一個(gè)非臨床機(jī)器人手術(shù)研究平臺(tái)；此外是一個(gè)控制包，即達(dá)芬奇研究工具包或 dVRK。2）手術(shù)自動(dòng)化，腹腔鏡機(jī)器人系統(tǒng)用于執(zhí)行廣泛的標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)任務(wù)，它們還固有地提供儀器運(yùn)動(dòng)的完整驅(qū)動(dòng)以及描述儀器運(yùn)動(dòng)的高質(zhì)量視頻和豐富數(shù)據(jù)集，研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向可能需要使用自動(dòng)化輔助補(bǔ)充遙控機(jī)器人手術(shù)的用例，安全有效地自動(dòng)化手術(shù)子任務(wù)的潛在好處包括提高精確度、融合非視覺或觸覺傳感器信息、遵守精確的術(shù)前計(jì)劃、改善重復(fù)性應(yīng)力損傷和對(duì)外科醫(yī)生的其他生理危害。3）導(dǎo)航、術(shù)中成像和可視化，術(shù)前計(jì)算機(jī)斷層掃描或磁共振圖像用于生成在計(jì)算機(jī)控制下執(zhí)行的手術(shù)計(jì)劃，而臨床醫(yī)生提供一般監(jiān)督。隨著該領(lǐng)域開始關(guān)注軟組織手術(shù)，預(yù)先編程的動(dòng)作讓位給臨床醫(yī)生指導(dǎo)的遠(yuǎn)程手術(shù)控制。使用術(shù)中或術(shù)前數(shù)據(jù)的圖像引導(dǎo)在所有類型的機(jī)器人手術(shù)中變得越來越重要，這些技術(shù)能夠評(píng)估組織灌注和組織表面下解剖細(xì)節(jié)的可視化，最大限度地降低損傷神經(jīng)和血管等潛在重要結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。4）接觸力傳感與控制，手動(dòng)和腹腔鏡器械都會(huì)將外科醫(yī)生的手從被操縱的組織上移開，從而扭曲或完全抑制力量和觸覺。觸覺傳感將允許在機(jī)器人手術(shù)期間在操縱器處再現(xiàn)組織觸診。此類傳感的技術(shù)障礙包括腹腔鏡器械的小尺寸（直徑 5 至 10 mm）、可重復(fù)使用器械中滅菌措施的熱和腐蝕性、一次性使用器械的成本以及傳感點(diǎn)和工具組織接觸點(diǎn)或區(qū)域之間施加的力學(xué)。5）單端口腹腔鏡機(jī)器人，與標(biāo)準(zhǔn)的開放式手術(shù)相比，腹腔鏡手術(shù)減少了侵襲性，但一個(gè)典型的手動(dòng)或機(jī)器人手術(shù)需要對(duì)單個(gè)器械和可視化內(nèi)窺鏡進(jìn)行三個(gè)或四個(gè)切口。將多個(gè)儀器控件、驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)窺鏡可視化功能組合到一個(gè)接入端口需要增加機(jī)械復(fù)雜性和密度。值得注意的創(chuàng)新單端口原型包括。6）分離式手術(shù)機(jī)器人，經(jīng)典的腹腔鏡手術(shù)模式是通過一個(gè)孔/套管針在腹壁的一個(gè)樞軸點(diǎn)插入一個(gè)細(xì)長的器械，這種幾何結(jié)構(gòu)從根本上限制了外科醫(yī)生完成手術(shù)任務(wù)所需的運(yùn)動(dòng)。打破這一限制的研究面臨著以下挑戰(zhàn)：在身體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)所有驅(qū)動(dòng)和傳感，提供合適的電源和通信，設(shè)計(jì)獨(dú)立部署的機(jī)器人在手術(shù)現(xiàn)場的安全部署和檢索。腹腔鏡機(jī)器人技術(shù)最重要的進(jìn)步是對(duì)患者最直接的好處，包括更好地治療腫瘤，減少對(duì)健康組織的切除，檢測和減少罕見的手術(shù)錯(cuò)誤，減少手術(shù)過程中的創(chuàng)傷和感染風(fēng)險(xiǎn)等。
受達(dá)芬奇腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人的成功啟發(fā)，過去十年中，外科醫(yī)生和工程師也在探索非腹腔鏡手術(shù)的新機(jī)器人解決方案。重點(diǎn)領(lǐng)域包括腔內(nèi)和自然孔口干預(yù)以及顯微外科機(jī)器人。關(guān)于腔內(nèi)和自然孔口手術(shù)，在過去十年中探索的外科機(jī)器人的新興應(yīng)用中，研究人員注意到腔內(nèi)和內(nèi)窺鏡機(jī)器人的工作，其目的是通過消除皮膚切口進(jìn)入內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的需要，并通過提供允許沿著彎曲解剖通道更深入進(jìn)入的解決方案，進(jìn)一步降低發(fā)病率。最近還推出了新的商業(yè)系統(tǒng)，重點(diǎn)是用于自然孔口微創(chuàng)活檢的可引導(dǎo)導(dǎo)管。此外，顯微外科手術(shù)方面，視網(wǎng)膜顯微手術(shù)帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，超過了現(xiàn)有手動(dòng)手術(shù)系統(tǒng)的能力。研究人員已經(jīng)采取了三種方法來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)：（i）具有震顫過濾功能的手持式機(jī)器人，（ii）手持式（合作）機(jī)器人，以及（iii）具有遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的遠(yuǎn)程操作機(jī)器人，具有主動(dòng)震顫消除功能的手持式機(jī)器人已被改進(jìn)用于視網(wǎng)膜手術(shù)。研究人員相信，使用體內(nèi)傳感來提高外科醫(yī)生的績效，能夠?qū)⑿g(shù)中感知與自適應(yīng)輔助行為結(jié)合，將使外科醫(yī)生能夠?qū)崿F(xiàn)快速臨床部署，并改善感知和性能。
輔助可穿戴機(jī)器人技術(shù)專注于可穿戴機(jī)器人設(shè)備的設(shè)計(jì)和控制，旨在提高肌肉骨骼或神經(jīng)肌肉損傷患者的移動(dòng)性或功能性。該領(lǐng)域的貢獻(xiàn)領(lǐng)域包括為上肢和下肢截肢患者開發(fā)機(jī)器人肢體（也稱為動(dòng)力假肢），以及為神經(jīng)肌肉損傷患者（如脊髓損傷、中風(fēng)、多發(fā)性硬化患者）開發(fā)外骨骼（也稱為動(dòng)力矯形器）。在過去的十年里，相關(guān)研究被引入到了人工膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)中。由于受電設(shè)備具有意志力，因此需要新的控制方法來確保人與設(shè)備之間的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法包括分段無源阻抗控制和相位變量控制，建立了由數(shù)據(jù)簡化和分類方法組成的模式識(shí)別結(jié)構(gòu)，能夠基于運(yùn)動(dòng)模式實(shí)時(shí)推斷給定的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)。除了外骨骼外，在這十年中還引入了軟“外骨骼服”的概念，相對(duì)于使用剛性連桿的外骨骼，軟外骨骼服使用低模量材料（通常與肌腱驅(qū)動(dòng)一起）來傳輸運(yùn)動(dòng)輔助，而無需沿非驅(qū)動(dòng)自由度施加次級(jí)運(yùn)動(dòng)約束。據(jù)推測，該領(lǐng)域?qū)⒃谖磥硎陜?nèi)建立實(shí)用方法，幫助行動(dòng)不便的個(gè)人。
康復(fù)機(jī)器人旨在為神經(jīng)損傷（最常見的是中風(fēng)和脊髓損傷）后的肢體提供重復(fù)運(yùn)動(dòng)治療，從而恢復(fù)個(gè)體的能力。這些機(jī)器人裝置能夠以誘導(dǎo)或促進(jìn)神經(jīng)可塑性的方式執(zhí)行伸展、抓取、行走和腳踝運(yùn)動(dòng)，從而恢復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性。一些康復(fù)機(jī)器人采用外骨骼的形式，適合腿、手臂或手，而另一些是末端效應(yīng)器型機(jī)器人，通過手柄或腳平臺(tái)與人體接觸?？祻?fù)的機(jī)器人既可以作為提供治療的手段，也可以作為評(píng)估的工具，提供傳統(tǒng)臨床評(píng)估所衡量的運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)展的精細(xì)視圖。自 20 世紀(jì) 90 年代早期引入康復(fù)機(jī)器人手段以來，在其設(shè)計(jì)、制造、控制和臨床方面取得了很多重要進(jìn)展。在 2010-2020 年期間，康復(fù)機(jī)器人研究主要集中在四個(gè)領(lǐng)域。第一種是新穎的裝置設(shè)計(jì)，越來越多地采用外骨骼形式，重點(diǎn)放在上肢的遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)上，并結(jié)合了用于驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的順應(yīng)性和軟材料；第二是開發(fā)新的控制算法，以調(diào)節(jié)人與機(jī)器人之間的交互，從而最大限度地吸引人的參與；第三是創(chuàng)建意圖檢測方法，以推斷和支持患者所需的運(yùn)動(dòng)，而不是規(guī)定或預(yù)先編程的軌跡；第四是擴(kuò)大使用機(jī)器人設(shè)備對(duì)神經(jīng)恢復(fù)進(jìn)行客觀和定量評(píng)估，而不僅僅是治療的實(shí)施。在過去十年中，研究人員越來越關(guān)注手部和手腕康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，因?yàn)樽晕椅故?、梳理和護(hù)理的能力需要手部功能和靈巧度的恢復(fù)。此外，康復(fù)機(jī)器人的控制方法也取得了令人印象深刻的進(jìn)步，主要是那些促進(jìn)機(jī)器人和患者之間合作的方法。研究人員還開發(fā)了新的方法來檢測患者的運(yùn)動(dòng)意圖，使用表面肌電圖來測量肌肉本身的電活動(dòng)，或使用腦電圖（EEG）從頭皮表面記錄的電位變化來推斷意圖。盡管已經(jīng)證明這類機(jī)器人設(shè)備能夠有效地為中風(fēng)和脊髓損傷后的上下肢提供治療，但與傳統(tǒng)治療相比，迄今為止，功能的臨床結(jié)果指標(biāo)改善并不明顯。未來的研究工作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)和利用神經(jīng)可塑性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)。
在新千年伊始，科研界推出了無線膠囊內(nèi)鏡，作為檢查胃腸道的一種微創(chuàng)方法。通過吞下“藥丸”在腸道深處采集圖像的可能性徹底改變了胃腸內(nèi)窺鏡領(lǐng)域，并引發(fā)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域：醫(yī)用膠囊機(jī)器人。但研究界意識(shí)到了一個(gè)重大挑戰(zhàn)，對(duì)這種方法的熱情迅速下降：使用現(xiàn)有技術(shù)，將復(fù)雜機(jī)制（包括充足的電源）集成到“藥丸大小”的設(shè)備（通常為 24 毫米長、11 毫米直徑）是一種不切實(shí)際的解決方案。為了解決這一限制，探索了磁驅(qū)動(dòng)的替代方法。磁耦合的使用繞過了復(fù)雜機(jī)制的需要，降低了電源需求，從而降低了設(shè)備的總體尺寸和復(fù)雜性。醫(yī)用膠囊機(jī)器人現(xiàn)在是標(biāo)準(zhǔn)介入內(nèi)鏡的臨床可行替代品。雖然提供了一個(gè)優(yōu)雅的機(jī)械解決方案，但該領(lǐng)域的研究人員面臨著開發(fā)可靠控制策略的挑戰(zhàn)——由于磁場的高度非線性特性，這是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。后來通過將磁驅(qū)動(dòng)與軟機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，成功地在藥丸大小的機(jī)器人中展示了有效的介入能力。一個(gè)由外部磁場操作的智能、兼容的設(shè)備顯示了主動(dòng)移動(dòng)到感興趣的位置并遞送藥物或收集組織活檢的可行性。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的關(guān)鍵因素是引入了實(shí)時(shí)定位技術(shù)，了解膠囊的位置和方向（即姿勢）對(duì)于規(guī)劃所需運(yùn)動(dòng)的磁力和扭矩應(yīng)用至關(guān)重要，臨床上可行的定位實(shí)例主要基于磁定位。隨著下一個(gè)十年的開始，當(dāng)與多模式成像（例如，多光譜、自體熒光和微超聲）和微/納米機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合時(shí)，膠囊機(jī)器人的智能磁控制可能提供前所未有的診斷和治療能力。
使用磁場提取意外嵌入眼睛內(nèi)的鐵屑的證據(jù)至少可以追溯到 17 世紀(jì)，也可以追溯到工業(yè)革命時(shí)期。在 20 世紀(jì) 50 年代，第一次研究在導(dǎo)管尖端安裝磁鐵來引導(dǎo)導(dǎo)管。在過去的十年中，磁驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)重要突破是多自由度電磁導(dǎo)航系統(tǒng)建模。這項(xiàng)工作概括了任意數(shù)量的幾何排列的電磁學(xué)的物理和數(shù)學(xué)，以在給定的磁性體上施加磁力和轉(zhuǎn)矩。此外，受鞭毛細(xì)菌螺旋運(yùn)動(dòng)和精子等鞭毛真核生物行波運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，第一批磁導(dǎo)微機(jī)器人出現(xiàn)在 2010 年之前。螺旋結(jié)構(gòu)尤其適合于磁驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樾D(zhuǎn)場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與流體阻力轉(zhuǎn)矩成比例。在過去的十年中，穩(wěn)健的制造技術(shù)和有效的模型已經(jīng)被開發(fā)出來，為開發(fā)能夠執(zhí)行有用的醫(yī)療任務(wù)的微型機(jī)器人創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。如果放寬對(duì)磁性材料選擇的限制，使磁性顆粒被納入柔性聚合物結(jié)構(gòu)中，那么可以創(chuàng)建毫米級(jí)機(jī)器人設(shè)計(jì)，展示出了許多新的和令人興奮的運(yùn)動(dòng)策略。目前磁驅(qū)動(dòng)的趨勢表明，磁端導(dǎo)管和內(nèi)窺鏡的研究也正在回歸其根源，人們?cè)絹碓礁信d趣的原因是，人們有望以更小的規(guī)模生產(chǎn)出比復(fù)雜的拉線或電機(jī)設(shè)備更經(jīng)濟(jì)的可操作醫(yī)療設(shè)備。這些磁場和磁場梯度可以無害地穿透整個(gè)人體，下一個(gè)十年將看到使用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更有效的醫(yī)療治療，從而迅速加速商業(yè)努力。
基于軟概念、內(nèi)在柔順結(jié)構(gòu)和智能材料的機(jī)器人技術(shù)從一開始就與仿生學(xué)和生物靈感學(xué)緊密結(jié)合。另一方面，人們對(duì)具有柔順身體的仿生機(jī)器人越來越感興趣，這推動(dòng)了智能材料的研究，這些材料可用于制造軟機(jī)器人，或?yàn)檐洐C(jī)器人提供傳感和驅(qū)動(dòng)能力，從宏觀到納米尺度?？紤]到過去十年中被引用最多的論文（不包括材料論文和調(diào)查論文），可以確定與醫(yī)學(xué)相關(guān)的兩種工作類型：一種包括用于康復(fù)或人體增強(qiáng)的可穿戴軟機(jī)器人；第二類包括用于介入和外科手術(shù)的機(jī)器人或用于介入和外科手術(shù)的組件。關(guān)于手術(shù)和干預(yù)領(lǐng)域，可以確定三個(gè)平行的子主題：（i）用于手術(shù)或干預(yù)的軟設(shè)備，其中整個(gè)傳統(tǒng)設(shè)備被軟機(jī)器人設(shè)計(jì)所取代，包括宏觀和微觀規(guī)模；（ii）軟、仿生或兼容組件，可作為獨(dú)立設(shè)備工作，或可集成到更傳統(tǒng)的系統(tǒng)中；（iii）先進(jìn)模擬器的軟組件和系統(tǒng)，用于訓(xùn)練和研究機(jī)器人和生物人工器官之間的特定生理功能。有一個(gè)最近的研究方向，不容易歸入任何類別，軟機(jī)器人用于體內(nèi)輔助或治療設(shè)備，軟機(jī)器人技術(shù)也在培育軟材料和新型制造技術(shù)的研究，這可以在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中開辟意想不到的途徑。
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)改變形狀，它們可以通過自然孔口進(jìn)入身體，在體腔中導(dǎo)航，并在通過固體組織時(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。這種技術(shù)的一種變體，稱為多骨架設(shè)計(jì)，用既能施加拉力又能施加壓縮力的桿代替鋼筋束。在 2010-2020 年期間，連續(xù)體機(jī)器人的研究集中在四個(gè)領(lǐng)域：（i）將外部接觸和負(fù)載納入機(jī)器人建模和控制中；（ii）開發(fā)控制機(jī)器人剛度的方法；（iii）創(chuàng)建“軟”連續(xù)體機(jī)器人，以及（iv）為特定臨床應(yīng)用設(shè)計(jì)連續(xù)體機(jī)器人。一個(gè)重要的研究方向是將外部荷載納入運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并從運(yùn)動(dòng)輸入變量（例如，鋼筋束張力）推斷外部荷載，或提出了一種無模型方法，其中在任務(wù)執(zhí)行期間估計(jì)接觸約束運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。過去十年的重要工作也已經(jīng)發(fā)展了機(jī)械設(shè)計(jì)方法，用于增強(qiáng)和控制連續(xù)機(jī)器人的剛度，對(duì)于固有剛度足夠的情況，已經(jīng)開發(fā)了控制算法，可以修改運(yùn)動(dòng)學(xué)輸入，以實(shí)現(xiàn)所需的葉尖剛度。部分連續(xù)體機(jī)器人通常由柔順的聚合物材料制成，最早的一些例子是氣動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)的，隨著軟機(jī)器人技術(shù)在過去十年中的爆炸性增長，這些驅(qū)動(dòng)方法和使用更符合要求的材料現(xiàn)在正在探索用于醫(yī)療應(yīng)用。盡管早期驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上是學(xué)術(shù)性的，很少關(guān)注最終的醫(yī)療應(yīng)用，但在過去十年中，人們?cè)絹碓街匾晞?chuàng)建原型系統(tǒng)，這些技術(shù)示范項(xiàng)目可以直接導(dǎo)致商業(yè)化努力。同樣重要的是，特定于程序的原型有助于識(shí)別關(guān)鍵知識(shí)缺口，從而刺激未來的基礎(chǔ)研究。
圖｜增加醫(yī)療機(jī)器人的特定應(yīng)用趨勢
工程雜志的出版物涵蓋了醫(yī)療應(yīng)用新機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)造和新型醫(yī)療機(jī)器人的設(shè)計(jì)，醫(yī)學(xué)雜志的出版物通過評(píng)估人類患者中現(xiàn)有的機(jī)器人設(shè)計(jì)完成了研究過程。
盡管該領(lǐng)域還不能指出臨床試驗(yàn)表明機(jī)器人手術(shù)為患者提供了更好的手術(shù)結(jié)果，或與非機(jī)器人手術(shù)相比降低了手術(shù)成本，但已經(jīng)證明了許多患者的益處，這些措施包括縮短住院時(shí)間、加快康復(fù)、減少再手術(shù)和減少輸血。對(duì)于外科醫(yī)生來說，醫(yī)療機(jī)器人提供了更好的人體工程學(xué)，與直接手控程序相比，機(jī)器人可以減少頸部和背部疼痛以及手部和手腕麻木，減少身體和精神壓力，機(jī)器人技術(shù)也可以顯著減少外科醫(yī)生和患者的輻射暴露，這些因素一定程度上提高了外科醫(yī)生的從業(yè)質(zhì)量，并有可能延長他們的職業(yè)生涯。為了推動(dòng)這一進(jìn)程，將未來的工程研究工作引導(dǎo)到最有希望的方向?qū)⑹怯幸娴?，這就需要了解機(jī)器人及其基礎(chǔ)技術(shù)如何在醫(yī)學(xué)上增加價(jià)值。例如能量輸送機(jī)器人（用于放射治療的機(jī)器人）提供精度、可重復(fù)性和速度的組合，這是其他方法難以比擬的。類似地，與非機(jī)器人設(shè)備相比，電動(dòng)假肢可以增加日常生活任務(wù)的數(shù)量和質(zhì)量，從而直接改善患者的預(yù)后。同樣，膠囊機(jī)器人最終可能會(huì)取代一些開放式腸道手術(shù)，提高難以到達(dá)身體部位的診斷可能性，減少現(xiàn)有腔內(nèi)腸道手術(shù)的不適感。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)是那些能夠基于當(dāng)前技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型干預(yù)措施的目標(biāo)。在未來十年中，軟機(jī)器人技術(shù)很可能成為一項(xiàng)非常重要的使能技術(shù)。
（來源：Wikimedia Commons）
目前，材料界也正在開展許多最有希望的工作，這些工作涉及利用嵌入式傳感器和驅(qū)動(dòng)器創(chuàng)建薄聚合物層。盡管這項(xiàng)工作現(xiàn)在似乎離醫(yī)療應(yīng)用還很遠(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)生重大影響，傳感、成像、驅(qū)動(dòng)和能量存儲(chǔ)方面的其他使能技術(shù)也可能作為消費(fèi)電子產(chǎn)品的交叉點(diǎn)出現(xiàn)。自1990年以來，在19000多篇關(guān)于醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)的工程論文中，只有少數(shù)幾篇可以被認(rèn)為能夠用于現(xiàn)有的商業(yè)醫(yī)療機(jī)器人。即使是具有高技術(shù)影響力的論文，其專利引用數(shù)量也不多，在某種程度上，這可能是由于技術(shù)開發(fā)與其商業(yè)應(yīng)用之間可能出現(xiàn)的嚴(yán)重滯后，也許，一個(gè)同樣重要的因素是技術(shù)研究與醫(yī)療器械商業(yè)化現(xiàn)實(shí)之間的不匹配。將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于臨床所需，不僅僅是撰寫被廣泛引用的研究文章，而是必須確定真正的臨床需要，必須開發(fā)相關(guān)技術(shù)來滿足這些需求，考慮機(jī)器人如何為臨床醫(yī)生和患者增加價(jià)值的細(xì)節(jié)。此外，也必須開發(fā)有吸引力的商業(yè)模式，以確保能夠獲得足夠的投資，使技術(shù)通過復(fù)雜的路徑，任何醫(yī)療設(shè)備都必須通過這些路徑才能取得商業(yè)成功，這些潛在的機(jī)會(huì)意味著技術(shù)研究者需要離開他們的象牙塔，與臨床醫(yī)生、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、投資者和商業(yè)界形成更為深入的合作。
參考資料：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abi8017
本文來自微信公眾號(hào)“學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：學(xué)術(shù)頭條，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
