把手术刀交给机器人？-凯发k8一触即发

作者｜james gaines

翻译｜md

审校｜d

2004年，美国国防部高级研究计划局（darpa）发布悬赏，只要设计出可以从加利福尼亚州巴斯托一路自动驾驶到内华达州普里姆的汽车，任何团体都可以获得100万美元的奖金。这是一段长达142英里的崎岖路段。13年后，美国国防部宣布了另一个奖项——这次奖励的不再是无人驾驶汽车，而是“机器人医生”。

20世纪80年代，手术室里就已出现了机器人，但仅用于固定病人的四肢。随后，机器人又被应用于腹腔镜手术，让外科医生可以远程控制机器人手臂，通过几个微小创口（而不是大切口）对人体进行手术操作。但在大多数情况下，这类机器人在本质上，只是外科医生几个世纪以来一直常规使用的手术刀和镊子的“更花哨的版本”——花哨得多、复杂得多，能够进行令人难以置信的精度操作，但仍旧必须由外科医生操控。

尽管存在诸多挑战，但这种情况正在改变。时至今日，在该奖项宣布的五年后，工程师们正在逐步制造不依赖医生的机器人，它们不仅可以做切割或缝合等操作，还可以设计切口、进行即兴发挥并适度调整。研究人员正在提高机器人的能力，使其能够顺利穿行于复杂的人体之中，并与人类医生协作。但是，军方所期待的那种完全自主的机器人外科医生——就像真正的无人驾驶汽车一样——仍需很久才能出现。不仅如此，这类机器人所面临的最大的挑战，可能并不在技术层面，而是在于如何说服人们放心使用它们。

• 驾驭不可预知性

就像司机一样，外科医生必须学会在特定环境中明确位置和方向，这听起来很容易，但在现实世界中却往往非常复杂。现实生活中的道路有交通路况、施工设备、行人——所有这些东西都不一定会在谷歌地图上显示，因此汽车必须学会自己躲避这些东西。

同样，虽然人的身体大体上都很相似，但儿童电影里的一个大道理是对的：我们的内在都很特别。器官的精确尺寸和形状，疤痕组织的存在与否，以及神经或血管的具体位置这些往往都因人而异。

“每个病人都有如此多的个体差异，”西雅图华盛顿大学医学中心的妇科肿瘤学家和外科主任医师芭芭拉·戈夫说，“我认为这是个挑战”。她本人使用腹腔镜手术机器人已有十多年了——那种不能自主移动但能依据外科医生指示行动的机器人。

患者身体的移动带来了额外的复杂性。一些机器人已经能够体现出一定程度的自主性，其中一个典型的例子是一个名为robodoc的设备（可能有点拗口），它可以在髋关节手术中用来刮除髋臼周围的骨质。但是骨头相对来说比较容易操作，而且一旦被锁定，就不会有太大的移动。亚历克斯·阿塔纳西奥说：“骨头不会弯曲，如果会的话，那问题就大了。”他是现在柯尼卡美能达公司的研究专家，曾为2021年的《控制、机器人和自动化系统年鉴》撰写手术机器人相关的文章。

不幸的是，身体的其他部分并不那么容易固定不动。肌肉会收缩、胃会咕噜、大脑会抖动、肺会舒张——这些器官甚至在外科医生到达前就会自行开始移动。人类外科医生可以清楚地看到和感知到他们正在做什么，但机器人又怎么知道它的手术刀是否处于正确的位置，刀下的组织又是否发生了位移？

对于这种不断变化的情况，最有前景的思路之一是结合摄像头和复杂的跟踪软件。例如，在2022年初，约翰·霍普金斯大学的研究人员使用一种名为智能组织自主式机器人（简称star）的设备，成功将被麻醉的猪断裂的肠管两端重新缝合起来——这是一项非常棘手的任务，多亏了这种可视系统的帮助。

一名操作员在肠管的两端滴上荧光胶水，形成了机器人可以追踪的标记（有点像好莱坞电影中穿着动作捕捉服的演员）。同时，一个摄像系统利用投射到该区域的光点网格，创建了猪身体组织的三维模型。这些技术叠加在一起，使机器人能够“看到”它面前的东西。

“我们的探测系统真正的特别之处在于，它不仅使我们能够重现具体身体组织的样子，还能反应得足够迅速，甚至可以做到实时变化”，霍普金斯大学的工程博士生、 star系统的联合设计者贾斯汀·奥夫曼说，“如果在手术期间有什么发生了改变，你可以随时发现并做出调整。”

然后，机器人便可以利用这些视觉信息来预测最佳行动方案，向人类操作员展示不同的计划、供其选择，或者在每针缝合间进行确认。在测试中，star的表现十分不错，但并不完美。总地来说，它83%的缝合工作可以自主完成，但在另外17%的时间里，人类仍然不得不介入，以纠正问题。

“我们显然可以做的比83%更好，”奥夫曼说。他表示，手术中出现的大部分问题是，机器人在某些角落有点难以找到正确的角度，需要人把它推到正确的位置。最新的、尚未公布的实验表明，目前可以实现超过90％的正确率。在未来，人类可能只需要同意手术计划，然后看着它自行操作，不再需要进行任何干预。

自1970年代美国宇航局对远程手术的探索以来，手术机器人已经逐渐变得越来越能干。最终，它们或许能够自己做出决定并执行，而无需人类外科医生的干预或监督。｜图源：j.gaines/knowable magazine

不过现在，仍然需要有人“坐在驾驶座上”。对于许多不同的自主式机器人来说都是如此：虽然理论上我们可以将决策权完全交给机器人，但这确实涉及到一个问题——这个问题同样正在困扰着无人驾驶汽车的推行。

“如果无人驾驶出问题怎么办？”阿塔纳西奥发问，“如果汽车出了事故怎么办？”

目前，普遍的看法是，让人类保持最终掌控是最优解——至少要发挥监督作用，审查和确认程序，并且时刻准备紧急情况的不时之需。

即便如此，向医院和监管机构证明自主式机器人的安全系数和工作效率，可能依旧是自主机器人进入手术室的最大难关。对于如何解决这个问题，专家们有一些自己的看法。

例如，阿塔纳西奥指出，设计者可能需要向监管机构细致地解释机器人思考、决策下一步行动的原理，特别是当它们不只是协助人类外科医，而是要自主行医的时候。不过，这种办法可能说起来容易做起来难，因为目前的人工智能系统思考过程很难为人所观察。因此，工程师们可能需要在进行设计的一开始，就考虑到 “可解释性 ”的重要性。

英国利兹大学的生物医学工程师、阿塔纳西奥的合作作者之一皮特罗·瓦尔达斯特里认为，或许压根没有制造商能够轻易地解决监管问题，不过他确实有一个变通办法。“这里的变通方法是制造一个系统，让它即使自主运行时，也能从根本上保证安全。” 也就是说，下一代的手术机器人可能更像碰碰车而非跑车。

这就是瓦尔达斯特里正在研究的所谓软体机器人，特别是用于结肠镜检查中。目前的结肠镜检查一般需要将内窥镜—— 一根带有摄像头的软管——穿过肠道，以寻找结肠癌的早期迹象。结肠镜检查通常是所有45岁以上的人都推荐做的——但是肠镜操作者需要花很长时间和大量培训才能熟练掌握。训练有素的操作人员很少，而等待检查的名单则一直在急剧增长。

瓦尔达斯特里解释道，一个能够自我控制的智能机器人将使这项工作变得容易得多——就像在电子游戏中驾驶汽车一样。这样，医生们便可以专注于手头的任务：寻找癌症的早期迹象。同时，这样由软性材料制成的机器人还会比坚硬的设备更安全。瓦尔达斯特里说，它甚至可以减少对麻醉或镇静的需求，因为它可以轻易的避免对肠壁的推挤。而且，由于这种机器人不能自行切割或清除任何东西，监管机构可能更乐意接受它们。

奥夫曼表示，随着技术的发展，自主式机器人一开始可能只会获批完成较简单的任务，比如图像采集。当越来越多的这些基础工作得到批准，不同复杂任务的组合可能会逐渐形成一个自主系统。他说，在汽车领域，我们就是先有了巡航控制，再有了刹车辅助、车道保持，甚至是辅助停车——所有这些都在朝着无人驾驶的方向发展。

“我认为我们的情况将会很类似，”奥夫曼说，“从许多小型的自主任务，最终发展串联成为一个完整的医用机器人系统。”

作者james gaines 是 knowable magazine 的研究员和自由科学记者，居住在西雅图。他是自主的，但很难解释何以自主以及为何自主。

• 译名对照表

autonomous robots  自主式机器人

aleks attanasio 亚历克斯 阿塔纳西奥

pietro valdastri 皮特罗-瓦尔达斯特里

justin opfermann 贾斯廷·奥夫曼

konica minolta 柯尼卡美能达

surgeon-in-chief 主任医生

barbara goff 芭芭拉-戈夫

department of defense 美国国防部

annual review of control, robotics, and autonomous systems 控制、机器人和自动化系统年鉴

da vinci surgical robot 达芬奇手术机器人

laparoscopic surgery 腹腔镜手术

the university of leeds 利兹大学

制版｜马修

saixiansheng@zhishifenzi.com