此处展示的达芬奇手术机器人是协助医生进行腹腔镜手术的最广泛使用的设备之一。该程序——通过腹部的小孔插入工具而不是切割长切口——可以让患者更快康复。

2004 年，美国国防高级研究计划局 (DARPA) 悬赏 100 万美元奖励任何能够设计出自动驾驶汽车的团体，该汽车可以自行驾驶从加利福尼亚州巴斯托到内华达州普里姆的 142 英里崎岖地形。十三年后，国防部宣布了另一个奖项——这次不是授予机器人汽车，而是授予 自主机器人医生。

自 1980 年代以来，在手术室中发现了机器人，用于将患者的四肢固定到位，后来用于腹腔镜手术，外科医生可以使用遥控机器人手臂通过微小的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和镊子的非常奇特的版本——极其复杂、理所当然，并且能够以令人难以置信的精确度进行操作，但仍然是外科医生手中的工具。

尽管面临许多挑战，但这种情况正在改变。今天，在该奖项宣布五年后，工程师们正在采取措施建造独立的机器，这些机器不仅可以切割或缝合，而且可以计划这些切割、即兴创作和适应。研究人员正在提高机器应对 人体复杂情况 以及与人类医生协调的能力。但军方可能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。他们最大的挑战可能不是技术，而是说服人们可以使用它们。


操作的不可预测性

就像司机一样，外科医生必须学会驾驭他们的特定环境，这在原则上听起来很容易，但在现实世界中却是无穷无尽的复杂。现实生活中的道路有交通、建筑设备、行人——所有这些都不一定会显示在谷歌地图上，而汽车必须学会避开这些东西。

同样，虽然一个人的身体通常与另一个人相似，但儿童电影是正确的：我们的内心都很特别。器官的精确大小和形状、疤痕组织的存在以及神经或血管的位置通常因人而异。

“患者个体差异很大，”西雅图华盛顿大学医学中心的妇科肿瘤学家兼首席外科医生芭芭拉·戈夫 (Barbara Goff) 说。“我认为这可能具有挑战性。” 十多年来，她一直在使用腹腔镜手术机器人——那种不会自行移动但会翻译外科医生动作的机器人。

身体移动的事实带来了进一步的复杂性。一些机器人已经显示出一定程度的自主性，其中一个典型的例子是一个名为（可能有点像鼻子）的设备 ROBODOC，它可以用于髋关节手术以剃掉周围的骨头髋关节窝。但是骨头相对容易使用，而且一旦锁定到位，就不会移动太多。“骨头不会弯曲，”柯尼卡美能达的研究专家亚历克斯·阿塔纳西奥 (Aleks Attanasio) 说，他曾为 2021 年 《控制、机器人和自主系统年度回顾》撰写过有关手术机器人的文章。“如果他们这样做，就会出现更大的问题。”

不幸的是，身体的其余部分不容易锁定到位。例如，肌肉收缩、胃部咯咯作响、大脑摇晃、肺部扩张和收缩——甚至在外科医生进入并开始在自己周围移动东西之前。虽然人类外科医生可以明显地看到和感觉到他们在做什么，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已经移位？

对于这种动态情况，最有前途的选择之一是结合使用相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一种称为智能组织自主机器人（简称 STAR）的设备将 被麻醉的猪的断肠两端缝合 在一起——这可能是一项非常不稳定的任务——多亏了这种视觉效果系统。

人类操作员用荧光胶滴标记肠道末端，创建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，相机系统使用投射到该区域的光点网格创建组织的 3D 模型。这些技术共同使机器人能够看到它面前的东西。

“我们的视觉系统的真正特别之处在于，它不仅让我们能够重建组织的外观，而且它的速度也足够快，你可以实时完成，”STAR 系统代码设计师 Justin Opfermann 说，他是一名工程博士霍普金斯大学的学生。“如果手术过程中确实有什么东西移动，你可以检测并跟随它。”

然后，机器人可以使用此视觉信息来预测最佳行动方案，为操作员提供不同的计划以供选择或在缝合之间检查它们。在测试中，STAR 自身运行良好——尽管并不完美。总的来说，83% 的缝合可以自动完成，但人类仍然需要在另外 17% 的时间内介入来纠正问题。

“83% 绝对可以克服，”Opfermann 说。他说，大部分问题是机器人在某些角落找到正确的角度有点困难，需要人将它推到正确的位置。较新的、尚未发表的试验现在的成功率高达 90 多岁。未来，人类可能只需要批准计划，然后看着它进行，不需要干预。

自 70 年代早期 NASA 设计以来，手术机器人逐渐变得越来越有能力。最终，他们可能能够自己做出和执行决定，而无需人类外科医生的干预或监督。


通过安全测试

不过，就目前而言，可以这么说，仍然需要有人坐在驾驶座上。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将完整的决策权交给机器人，但这确实提出了一个问题——一个也困扰着无人驾驶汽车的问题。

“如果其中一些活动出了问题怎么办？” 阿塔纳西奥说。“万一车出了事故怎么办？”

就目前而言，普遍的观点是，让人类最终掌控是最好的——至少在监督角色、审查和签署程序以及在紧急情况下待命。

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 说，例如，设计师可能需要能够向监管机构准确解释机器人是如何思考和决定下一步做什么的，尤其是当它们发展到不仅是在协助人类外科医生，而且可以说是在行医时他们自己。不过，这种解释说起来容易做起来难，因为目前的人工智能系统可能会给观察者留下一些关于他们如何做出决定的线索。因此，工程师可能希望从一开始就在设计时考虑到“可解释性”。

英国利兹大学的生物医学工程师 Pietro Valdastri 和 Attanasio 的合著者之一认为，尽管他确实有变通办法，但可能没有制造商能够轻易解决监管问题。“这里的解决方案是建立一个系统，即使它是自主的，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头（内窥镜）的软管蜿蜒穿过肠道，以寻找结肠癌的早期迹象。建议 45 岁以上的任何人使用该程序——但操作员可能需要很长时间和大量培训才能熟练使用内窥镜。由于几乎没有经过适当培训的操作员可以四处走动，候补名单激增。

但是，Valdastri 说，使用可以自行驾驶的智能机器人会让这项工作变得容易得多——就像在视频游戏中驾驶汽车一样。然后医生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，由软材料制成的机器人本质上比更坚固的设备更安全。Valdastri 说，它甚至可以减少麻醉或镇静的需要，因为它可以更容易地避免推挤肠壁。由于机器人无法自行切割或破坏任何东西，监管机构可能更容易接受。

Opfermann 表示，随着技术的发展，自主机器人可能会开始只获得批准执行更简单的任务，例如拿着相机。随着越来越多的这些基本工作得到批准，这些任务可能会建立一个自治系统。他说，在汽车中，我们首先获得了巡航控制，但现在有了制动辅助、车道辅助，甚至是辅助停车——所有这些都是为了实现无人驾驶。