2016 美國機器人路線圖報告解讀-醫療機器人

01-29

本人被約稿的一篇文章，不過出於發表需求改動了一些，本人把原稿放在這裡。

一、美國機器人路線圖醫療機器人研究

美國學術與工業界對機器人的研究向來從解決實際問題出發，2016年美國機器人發展路線圖第四章：Health, Independence and Quality of Life更是直接從社會需求端切入，指出對醫療機器人的需求是生活健康、生活獨立和提高生活品質，這也是研究醫療機器人的意義所在。更具體來說，醫療機器人的研究動因是為了降低社會成本（減少醫療保健費用），方法主要歸結為兩類：1-拓展醫療和治療的渠道；2-優化疾病預防和患者康復。最終可以實現延長美國社會勞動者的勞動時間以及提高勞動者的生產率，擴大勞動力規模，降低醫療保健費用，對沖美國社會老齡化造成的勞動力減少和醫療費用增加。

美國機器人發展路線圖中提到的醫療機器人是一個非常廣義的概念，這個醫療機器人定義包含了1、看護機器人（監控並服務老人/患者）；2、手術和介入機器人（直接參与手術操作）；3、假肢機器人（機械手/臂/外骨骼）、康復機器人和社會輔助機器人（行為治療）；4、臨床輔助機器人（運輸/清理/教育/遠程診治）；路線圖中對於每種機器人都針對性的對其應用場景、功能和發展路線進行了分析。

1、看護機器人。

路線圖中4.2.Aging and Quality of Life Improvement方向主要針對看護機器人的場景進行描述：社會老齡化日益嚴重，為了最大化提高生活水平而又降低看護費用，認為老年人能夠在家得到醫療服務是比較合適的方案，而看護機器人是一個很好的選擇。

弗勞恩霍夫研究所的Care-O-bot 4看護機器人

看護機器人的主要功能如下：

協助主人完成一些常用的家務工作；
主人的藥物管理；
主人的健康管理；
主人的康復管理；
主人與外界溝通；

其研究的關鍵技術和挑戰在於讓機器人理解人類的（細微）行為和社會交往模式，之後才能讓機器人匹配自己的角色例如顧問、治療師、好朋友或者看護者，從而讓機器人選擇不同的交往策略。另外機器人需要適應在人類群體中的規則，扮演好自己的角色。

其中針對老年人的一個重要研究方向是建立和維持長期關係的能力，機器人需要實現短期交互乃至數周和數月內保持上面提到的交互能力，使機器人的行為適應用戶健康狀態的變化，響應不同的行為策略。對機器人這些能力的研究將確定機器人在與用戶的交互中有多少自主性，即機器人僅僅可以充當患者和治療師之間的介面，或者可以充當治療師。

開發低成本的並且具有遠程物理操作能力的機器人也是一個挑戰，需要研究遠程操作機器人如何確定自動、半自動或者遙控的級別設定，並且保證最終用戶使用直觀舒適。開發的關鍵在於堅持以人為中心的設計過程並且要保證嚴格測試。

在5年內

機器人將根據人類社會溝通的適當規範，在特定的、狹義的領域中自主地維持一次性（例如健康面談）或短期（例如特定練習）的交互，交互內容包括社交距離、姿勢/手勢、表情和其他非語言提示以及簡單的言語內容，對指令的反饋。

10年內

在受控環境中，機器人將在更廣泛的領域中自主地維持更長時間的重複交互。
機器人將在有限的領域中使用包括語音，手勢和注視行為的開放式對話，提供人類領導和機器人領導交互的組合。
機器人將能夠在指定的精確領域內提供規定的干預/治療。

15年內

機器人將在一系列廣泛的域中自主維護數周和數月的多次互動。這些機器人將提供複雜的混合主動的互動，併流利地使用多模式的行為，可以泛化的社會情境。
機器人將適應人類的行為隨時間的變化，包括情緒的小波動、緩慢下降或改善、突然意外的變化，並塑造互動，以匹配個人用戶的角色和需要。

2、手術和介入機器人。

路線圖中4.3. Surgical and Interventional Robotics描述了微創傷手術機器人的使用場景：術前診斷並建模，術前進行模擬手術，醫生在術中感覺自己在患者體內操作手術器械，最終完美的去除所有的癌症組織，患者術後即可出院。

美國直覺外科公司的da Vinci Xi 手術機器人

手術機器人的研究驅動主要是通過將信息耦合到手術室或介入手術室來提高醫療程序的有效性，並且在執行手術和其他介入手術時超越人的身體限制（但同時仍然提供人工對醫療程序的控制）。

目前手術中使用的機器人一般在外科醫生的直接控制下（並且人與機器人交互介面有限），通常在遠程操作中人類操作者操縱主輸入裝置，並且患者端機器人跟隨主輸入，其功能與優點如下：

與傳統的微創外科手術相比機器人末端更加靈活；
可以縮放將操作者的運動；
在操作者和手術器械尖端之間提供非常直觀的操作；
外科醫生可獲得與開放手術相同的精度或更好的精度實現手術切割、燒灼和縫合；
包含實時成像裝置，在手術期間可視化手術區域；
下一代手術工作站（手術機器人）將提供各種各樣的計算機和物理增強，例如圍繞精細的解剖結構的「禁飛區」，可以在外科醫生的視野中放置大量相關數據，以及手術中識別運動和患者狀態，以評估性能和預測手術結果。

另外在骨科機器人和介入機器人中「外科CAD / CAM」更具有發展前景，未來機器人將提出手術方案和路徑，人類只需要批准手術並監督手術過程。

MAKO Surgical 公司的RIO Robotic系統

手術機器人的關鍵研究技術和研究方向如下：

建模人類行為和動態；
在非常大量的維度上感知人的身體行為；
高靈巧的手術機器人，可以通過身體內腔和組織平面移動，以盡量減少附帶組織損傷；
識別末端執行器和可變形結構/組織之間的接近度和相對方向；
直觀的介面，用於物理交互人類和機器人；
組織建模和表徵；
內窺鏡操縱和目標對準控制；
保持手術器械在可變形/不可變形組織之間的3D空間實時配准；

在5年內，手術機器人將實現：

新的設備和演算法，使人類和機器人之間的信息和能量實現更有效的雙向交流；
集成實時感測器和資料庫信息的控制介面和導航系統；
對外科醫生的全套物理反饋，保證醫生遠程控制機器人時對患者組織的環境順應性；
設計機器人行為，確保無論人類做什麼都能得到機器人適當的互動；
可靠性管理；

在10年內，手術機器人將實現：

直觀，透明的人機交互
人機介面將估計用戶的意圖，而不是簡單地執行可能錯誤/有缺陷的命令

在15年內，手術機器人將實現：

感知人的運動和推斷操作者的意圖；
演算法開發以向操作者提供適當的力反饋；

3、假肢機器人（機械手/臂/外骨骼）、康復機器人和社會輔助機器人（行為治療）。

假肢機器人代替人體的部分功能，通常是功能丟失/損傷或者先天缺陷；康復機器人和社會輔助機器人用於解決患者康復動作的標準性和對患者康復要求的遵守。

穿戴式矯正器和假體裝置（假肢機器人）通過有限的運動/控制物理地輔助肢體，或通過替換丟失或截肢的肢體來增加功能或提高舒適度。這樣的設備越來越多地結合機器人特徵和神經控制。其主要功能如下：

機器人矯正器通常以外骨骼的形式設計，允許肢體自由運動，同時提供所需的支撐。
假肢機器人通過將機械裝置與人的肌肉、骨骼和神經系統融合來代替身體部分的功能。

大多數現有的機器人外骨骼是研究裝置，集中於軍事應用（例如，允許士兵在跑步時在其背部攜帶非常重的負載）和臨床中的康復。

以色列ReWalk公司的REWALK PERSONAL 6.0系統

現有的商用假肢裝置的能力非常有限，通常僅允許打開/關閉夾具。機器人假體裝置旨在通過複製許多關節和肢體段（例如人手的22自由度）和無縫神經整合來更完全地模擬缺失的肢體或其他身體部分，其提供肢體的直觀控制以及觸摸反饋給佩戴者。最近幾年在基礎技術和神經科學方面取得了巨大進步，將提高假肢的先進性。更深入的機器人研究將會大大提高功能和降低假體的成本。

iWalk公司的emPOWER系統

康復機器人用於患有神經肌肉損傷或疾病的患者，利用人類神經肌肉系統使用依賴的可塑性，重建人體運動功能。康復機器人基於患者的實時響應提供許多不同形式的機械輸入，例如輔助、抵抗、擾動和拉伸；

作為對康復師的替代，機器人具有用於治療的幾個關鍵優點：

設置後，機器人可以提供一致、長期和個性化治療而不疲勞；
使用感測器，機器人可以獲取數據，提供客觀的恢復量化;；
機器人可以執行人類治療師不可能的治療練習。

康復機器人的一個重要研究方向是機器人可以幫助神經科學家更深入的了解大腦功能，通過對患者基於機器人的擾動和對大腦特定區域損傷的患者的響應的量化，機器人可以做出精確的刺激反應記錄。為了優化自動化康復治療，需要開發機器人和實驗來闡明外部機械力和神經可塑性之間的關係。這些關係的理解也將使神經科學家和神經科醫生洞察大腦功能，有助於這些領域的基礎研究。康復機器人的另一個重要研究方向是了解用戶的狀態和行為以適當地做出反應，自動感知需要多個感測器融合技術，基礎機械模型研究仍處於初期階段。

社會輔助機器人（SAR）主要用於康復和管理行為治療，以適當的頻率和正確性維持的身體和/認知鍛煉。社會輔助機器人（SAR）從可穿戴感測器、照相機感知用戶活動，機器適當地鼓勵、激勵和指導持續恢復鍛煉，已被證明有希望為兒童、老年人、中風患者和其他需要個性化護理的人群提供治療。

社會輔助機器人的研究方向之一是人機交互工程，涉及健康科學、心理學、社會科學和認知科學交叉，是一個不斷深入的研究領域。有效的社會輔助機器人必須理解並與環境互動，展示社會行為，將注意力和溝通集中在用戶身上，與用戶保持聯繫，從而實現特定的輔助目標。另外一個研究方向及挑戰是賦予機器人同理心和感情，並且可以表達出來。

日本Paro小海豹機器人

4、臨床輔助機器人。

機器人可以幫助醫療人員的減少腦力和體力的工作量。例如支持病人轉院，機器人幫助臨床醫生抬起病人，自主車輛可以運輸患者，或遙控操作清除高度傳染性的廢物。另外機器人可以用以醫療教育，比如患者機器人模擬，而遠程機診療機器人可以擴展諮詢和治療範圍。

美國iRobot公司的RP-VITA 臨床輔助機器人

臨床輔助機器人應用最大的挑戰是：在醫療保健設置機器人是對現有環境的衝突，這將以不可預見的方式改變臨床工作流程，每個護理設置是完全不同的，加劇了在衛生系統內部署機器人的技術挑戰。因此在這個方向進行廣泛而深入的研究是必要的。另一個挑戰是勞動力本身，臨床醫生技術素養水平很低，設計不當的機器人技術會導致經費和生命的損失。因此公司需要提供廣泛的職業培訓，以確保臨床人員能夠安全地使用機器人。臨床工作者非常忙碌、混亂，會讓機器人都處於高度動態的環境中，機器人很難知道什麼時候和如何干預，特別是在重症監護設置。這給機器人技術帶來了很多無法預見的技術挑戰。

日本Robear看護機器人

在5年內，臨床輔助機器人將實現

能夠完成定義明確的任務（如：輸送用品，清除廢物和管理藥物）。
遠程機器人將用於遠程精神病學，遠程皮膚病學和遠程保健，用於農村衛生、家庭健康和印度保健服務。

10年內，臨床輔助機器人將實現

支持臨床醫生進行危險的操作任務，包括：病人轉移（床到椅子）和高度傳染性疾病護理（如埃博拉病毒）；
富有表現力的互動式「智能」機器人患者模擬器將為新的臨床醫生提供培訓；

15年內，床輔助機器人將實現

作為手機無縫集成到臨床工作流程中。為臨床醫生提供行政護理任務的認知支持，例如安排檢查和將患者帶到醫生處，幫助臨床醫生安排患者訪視日程表。

二、國內現狀及採取的對策及思考

1、國內研究現狀

醫療機器人的主要目的是解決國民的健康和生活水平問題，相對於美國我國的老齡化問題要嚴峻得多；但是我國的醫療機器人水平在各個方面都與國外先進水平有較大差距。

在看護機器人方面，世界各國差距不大，目前沒有得到市場認可的產品。在技術方面日本具有領先優勢，其次是歐盟。我國目前有一些初創公司的產品稍微涉及醫療看護機器人方向，例如廣州映博智能科技有限公司的PadBot U系列機器人、上海有個機器人有限公司等，但是目前研究主要集中在導航定位等基礎功能，在路線圖中提到的理解人類的（細微）行為和社會交往模式方面研究的基本空白。中科大的「佳佳」機器人在人機交互體驗方面有較深入的研究，比如從善良、勤懇和智慧三個品格方面來設計機器人的外形和性格；另外中科大「可佳」機器人在智能技術方面也有長期的積累。

中科大「佳佳」服務機器人

在手術和介入機器人方面，美國大大領先世界各國。1996年intuitive surgical公司成立，3年後推出da Vinci一代產品。而2007年我國才由天津大學和哈爾濱工業大學啟動微創手術機器人的研究；又過了十年之後，intuitive surgical已經發布了第四代da Vinci Si系列，並且在2014年將da Vinci SP（單孔）手術機器人推進臨床，而到2017年2月，我國尚無任何一家機構將腹腔微創手術機器人推進至臨床階段（補充，天津大學聯合山東威高的威高手術機器人公司在2017.9.13日進入創新醫療器械特別審批通道，國產腹腔鏡機器人的曙光已經出現）。目前天津大學與山東威高集團合作、哈爾濱工業大學與博實股份合作，均在推進腹腔微創手術機器人的產業化。上海微創醫療器械（集團）有限公司與重慶金山科技集團也在推進腹腔鏡手術機器人的產業化。按照國內一流科研團隊與intuitive surgical的差距估算，我國落後美國微創手術手術機器人行業10-20年，但是當手術機器人發展遇到天花板時，差距會迅速縮短，具體案例可以參考血管支架的發展。

天津大學妙手S系列手術機器人

在其他的醫療手術機器人方面，例如骨科機器人，北京天智航醫療科技股份有限公司在2010年推出獲得產品註冊證的骨科手術機器人，其最新的「天璣」骨科手術機器人等待CFDA的批准，但是其主要部件機械臂採用UR的工業機器人。

北京天智航的天璣?」骨科手術機器人系統

在假肢機器人方面我國較為落後，美國的iWalk公司2006年就將世界首款Bionic ankle–foot prosthesis產品投入市場，而我國目前僅有一些初創企業從事相關方面產品研發。

在康復機器人方面，由於目前產品技術需求較為簡單，我國的產品水平與國外差距不大。國內璟和技創的Flexbot康復機器人系統提供從康復早期到完全康復的應用方案，安陽神方康復機器人公司提供上下肢康復機器人解決方案。

上海璟和技創的Flexbot多體位智能康復機器人系統

上海傅利葉智能的Fourier X1外骨骼機器人系統

在臨床輔助機器人方面，其基礎技術與看護機器人類似，針對具體使用環境對看護機器人進行定向開發即可，在此不再累述。

2、對策及思考

機器人產業與互聯網產業有較大區別，機器人產業由於涉及基礎理論、基礎工業較多，基本不存在彎道超車的情況，只能按部就班的把機器人相關的理論和技術吃透用透，才能設計出類似德國iiwa先進的機器人。在機器人產業最上遊人工智慧方面，我國與美國啟動研究時間差距不大，但是在高級人才方面差別很大，google擁有世界頂尖的科學家和工程師。

但是國家目前沒有足夠數量的高水平科學家和工程師能夠支撐起所有方向的機器人產品研發，貪大求全反而會導致資源分散，因此選取幾種國計民生迫切需求的機器人產品進行開發支持和引導，以開發帶動研發能力提升和上下游產業發展，是一種可取的思路。

考慮到自主研發的速度不能滿足我國的需求，與先進機器人企業合作或者收購國外先進機器人企業也是一種不錯的選擇，目前美的集團在這方面進行了良好布局。

聘請國外真才實學的教授或者科學家擔當我國企業顧問，或者高薪招聘國外先進機器人企業的資深工程師，也是一種加速我國機器人產業發展的可取途徑。

結合我國現實需求，針對加速的老齡化和我國國民的高發病症，我國針對醫療方面機器人需求順序依次為：1、看護機器人；2、手術和介入機器人；3、臨床輔助機器人/康復機器人；4，假肢機器人、社會輔助機器人。

http://pan.baidu.com/s/1mi2rZio 本部分文章參考的Roadmap for US Robotics，大家也可以下載閱讀原文。

本文首發於微言創新，連接如下：

2016 美國機器人技術路線圖解讀系列之一 --製造業與機器人 2016 美國機器人技術路線圖解讀系列之二 --服務機器人 2016 美國機器人技術路線圖解讀系列之三 --醫療機器人 2016 美國機器人技術路線圖解讀系列之四 --提升公共領域安全性 2016 美國機器人技術路線圖解讀系列之五 --空間機器人

我們要消除眾生的困苦和匱乏，帶給他們愉悅和美麗。-------醫療機器人工程師聯盟