微創手術的軟機器人

文 / 于思

在過去的幾十年裡，機器人輔助微創手術（RAMIS）取得了長足的進步。RAMIS 系統使用細長的直線器械通過患者皮膚上的小切口進行操作。機器人技術使手術變得更加簡單，過濾了外科醫生的手動顫抖，改善了整體人體工程學，並恢復了手動微創手術中通常不可能實現的三維 (3D) 視覺。此外，RAMIS 允許生成大量數據，可用於提高安全性和實施一些自主任務。儘管一些 RAMIS 平台取得了成功，例如用於前列腺切除術和腹部或胸部手術的達芬奇手術系統，但這些系統通常受到其剛性組件設計的限制，這可能使其難以進入身體的某些區域，並可能導致組織損傷。

卡斯帕·阿爾特霍弗 (Kaspar Althoefer) 和 阿里安娜·門恰西 (Arianna Menciassi) 最新發表在《科學》(SCIENCE)期刊的< 用於微創手術的軟機器人>(Soft robotics for minimally invasive surgery) 對機器人輔助微創手術（RAMIS）做出詳細的評價。他們說，用於 RAMIS 的軟機器人是否會取代成熟的手術機器人，或者依賴於形態計算的軟機器人設計規則是否會滲透到 RAMIS 的傳統技術？什麼對患者最有利，需要推動「軟機器人」(Soft robotics)手術的研究。

甚麼是軟機器人呢？

甚麼是軟機器人呢？軟機器人技術是機器人技術的一個子領域，涉及由柔順材料而不是剛性鏈接組成的機器人的設計、控制和製造。與由金屬、陶瓷和硬塑料製成的剛體機器人相比，軟體機器人的順應性可以提高其在與人類密切接觸時的安全性。軟機器人技術的目標是設計和建造具有物理柔性身體和電子設備的機器人。有時，柔軟度僅限於機器的一部分。例如，剛性機械臂可以採用柔軟的末端執行器來輕輕地抓取和操縱精緻或不規則形狀的物體。大多數剛性移動機器人還策略性地採用軟部件，例如用於吸收衝擊的腳墊或用於存儲/釋放彈性能量的彈性關節。然而，軟機器人領域通常傾向於主要或完全軟的機器。具有完全軟體的機器人具有巨大的潛力。其一，它們的靈活性使它們能夠擠入剛體無法擠入的地方，這在救災場景中可能非常有用。

大自然通常是軟機器人設計的靈感來源，因為動物本身主要由軟部件組成，並且它們似乎利用其柔軟性在地球上幾乎任何地方的複雜環境中進行有效運動。[3]因此，軟機器人通常被設計成看起來像熟悉的生物，特別是像章魚這樣的完全軟的生物體。然而，由於軟機器人機械阻抗低，手動設計和控制極其困難。軟機器人的優點在於其靈活性和順從性，但也使得它們難以控制。過去幾個世紀發展起來的用於設計剛體的數學通常無法擴展到軟機器人。

軟機器人更靈活、適應性更強，更有前途

軟機器人技術是開發更靈活、適應性更強的手術機器人的一個有前途的途徑，它具有安全執行手術所需的靈活性和剛度調節。軟機器人技術的關鍵特徵是使用可以變形、彎曲、收縮和改變剛度的材料，將機器人手術的範式推向更安全、更柔軟的方向。這些機器人針對不同的身體區域，如耳朵、腹部和胸部，它們可以專門用於診斷和干預。例如，開發了一種流體驅動的軟機器人系統，用於提高耳部治療期間患者的舒適度，並將針頭安全地引導到所需的注射部位。胃腸道病理學的診斷也是軟機器人的一個關鍵應用，因為這些組織是靈活的、可拉伸的，並且經常塌陷，需要一系列柔軟和堅硬的工作模式。最近展示了一種用於內視鏡檢查的膠囊機器人，它使用外翻導航和軟變形機構。

探索 RAMIS 軟機器人技術的一個大型項目是 2012 年至 2015 年的歐盟項目 STIFF-FLOP（用於外科手術的剛度可控、靈活且可學習的機械臂）。所開發的軟機器人系統由生物相容性矽橡膠製成，並採用氣動驅動，採用新的製造方法，可以創建安全有效的可靠結構。此外，還採用先進的機器學習技術直觀地遠程操作患者腹腔內的軟機器人，觸覺系統使外科醫生能夠辨別機器人與軟組織環境的相互作用。

軟機器人系統缺乏精密度和準確性

仍然存在巨大的技術挑戰。一個主要問題是軟機器人系統缺乏精度和準確性。在傳統的手術機器人中，直接使用電動機或通過肌腱來移動機器人的手臂，執行器由在操作過程中不會變形的剛性部件製成。然而，軟機器人系統依靠構成機器人的材料的變形來實現運動。由此產生的運動更難以建模，並且可能導致位置精度較低，這可能是手術中的一個關鍵問題。為了克服這一挑戰，人們正在開發基於人工智能、機器學習和數據驅動控制的先進策略，以應對軟機器人的高度非線性運動行為。電腦能力、電腦視覺、機器學習、實時建模和模擬方面的最新進展可以使軟機器人手術操作成為可能，而無需繁瑣的遠程操作方式和外科醫生的大量培訓課程。