文丨何锐 教授

“如果每一件工具被安排好甚或是自然而然地做那些适合于它们的工作，能够预判其他人的想法……那么就没必要再有师徒或主奴了”。

——亚里士多德

“机器人是具有类似于人或其他生物某些器官（肢体、感官等） 功能动作的机械产品”。

——国际标准化组织（ISO）

“机器人”一词最早于1921年出现在捷克作家Karel作品中，用来形容虚构的机器人角色。

20世纪80年代中期，医疗机器人诞生。1985年，工业机器人PUMA 560 ，一款多个方向上旋转和弯曲的机器人手臂，辅助医生进行神经外科活检手术，用以固定患者头部保持正确的位置，也开启了历史上第一次机器人手术。

20世纪90年代初期，机器人开始被应用于骨科领域，被改造为精确定位手术工具或引导切割的工具。1992年，第一台真正的医疗机器人—Robodoc于美国问世，完成世界首例Robot THA。

20世纪90年代中后期，涌现出大量的微创手术机器人系统，从早期基于工业化的机器人逐渐发展为专用的手术机器人，更加专注于遥控操作，远程控制机器人把持手术工具，使其按照指定通道进入患者体内。

1997 年，手术机器人之父王友仑成功研制出 “伊索”， 一种可以声控的“扶镜”机械手；1998年，“伊索”通过一系列升级改造，进化成了“宙斯”，2001年实现世界第一次远程机器人手术，成功引入“全球外科技术共享”理念。

1999年，Intuitive Surgical公司推出达芬奇手术机器人，目前已推出四代产品。达芬奇垄断手术机器人市场20余年，是迄今为止最成功、应用最广泛的软组织医疗机器人。

从1992年诞生首台骨科机器人以来，到2000年后全球手术机器人进入高速发展期；从全自动机器人发展为半自动机器人，再到对未来全自动机器人抱持憧憬。

2022年，我们已站在新的历史起点。

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机械美学：基于工业机器人平台的探索

从世界上第一家工业机器人制造商尤尼梅公司制造的Puma 560，到第一台骨科机器人亦是第一台真正的医疗机器人——ROBODOC，早期的医疗外科机器人系统大多脱胎于工业机器人平台。

骨科机器人的首次应用是在关节骨科领域。20世纪80年代，每年75万例髋关节置换手术中有15%的患者因为假体松动等原因需要进行二次置换，这给医生带来很大工作量，也造成患者更多的术后并发症。

因骨质和金属材料一样具备刚性，从工程角度很容易将计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)技术迁移到骨科手术机器人中。1992年美国 Integrated Surgical Systems 公司推出了一款主动型骨科手术机器人——Robodoc。

该机器人外科医生比人类医生可以更精确地对股骨进行髋关节置换，为全球首个主动型骨科手术机器人，同时揭开了机器人辅助人工关节置换的新篇章。鉴于它对手术精度的有效提高，也被称为第一台真正的手术机器人。

▲由于为传统骨科手术带来科技的创新，2016年11月，史密森尼美国国家历史博物馆将1989年ROBODOC原型收藏纪念。

在Robodoc机器人系统使用之前，医生用凿子、锤子在骨头里凿出一个洞，然后用骨水泥来修补这个洞，并补充置换关节之间的任何不规则的地方。

Robodoc机器人系统基于患者CT数据的术前规划，确定股骨假体的大小和型号，连接机器人本体设备，随后机器人便可自行进行切割磨削工作，术中无需医师进行操作。外科医生只是做很少的信息输入工作，更多的作用是按下紧急关闭按钮。

该机器人优势在于可以通过操作器末端的压力传感器对骨骼的切割进行校准，并通过视觉系统保证骨切割的安全性，从而提高手术精确性。

Robodoc是一款脱胎于工业机器人平台的主动式机器人，功能仅限于处理股骨一侧。作为第一个主动型手术机器人，起初为了提高全髋置换手术过程中骨水泥永久固着的效果而研发，Robodoc 仍存在诸多缺陷，如手术时间过长、坐骨神经损伤风险较高、系统稳定性不佳等。

▲TSolution One机器人辅助骨科手术系统，在Robodoc基础上不断改进发展而来。

1997年，德国OrthoMaquet研制出了另一款机器人系统——CASPAR，它在设计和应用上与 Robodoc 系统类似，为完全主动式的人工关节置换机器人，可以在人工全膝和全髋关节置换手术中辅助进行骨面处理，开展关节置换和交叉韧带重建手术。由于早期出现的臀中肌损伤、注册钉孔部位骨折等较高的并发症,后因销售以及安全事故于2004年破产清算。

▲CASPAR与 Robodoc 系统类似，为主动式机器人。

基于工业机器人构型的骨科手术机器人早期主要基于CAD／CAM原理对关节置换的病骨进行切除操作，尽管手术精度高于常规手术，但CASPAR在市场的退出以及Robodoc机器人在市场的几经周折都表明，其具备工业机器人特征的自主作业模式尚未得到医师的广泛认可。

但Robodoc代表了医学中的一种学术流派，认为机器人可以且应该在人类监督下执行更多的外科手术程序，但不必直接受到人为的控制。这一学派正引领着外科手术更多的依赖人工智能的发展趋势。

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走向成熟：回归现实“触觉”

20世纪90年代中期，医学界中占主导的声音，仍然是保持人类外科医生的完全性控制，辅助性手术机器人比自动手术外科机器人使用得以更广泛地发展。

此时，机器人与外科医生之间的交互方法也取得了新的进展，让机器人和人同时控制手术工具的把持和移动成为可能。手术导航性质的机器人一定程度上解决了希望能完全控制手术的外科医生的担忧。

▲“主动约束”概念下的Acrobot 机器人系统

为保障手术过程中机器人的安全性和医师对机器人的主动控制能力，英国帝国理工学院Davies等于1994年提出了“主动约束”概念，并于1997 年研发出Acrobot 机器人系统，基于力反馈的主动限制式机器人，能够根据机器人末端执行器的所处区域，来调控机器人末端的运动状态。

Acrobot主要应用于全膝关节置换术和微创膝关节单髁置换术，该机器人定位为手术助手，既在医师手动控制下按照规划进行作业，又能限制医师手的抖动以及机器人运动的范围，形成“主动约束”或者“Hands—On”技术的操控机制，达到人机共享方式作业。

由于主动型机器人的诸多缺点，使得像ACROBOT这种半主动型机器人得以发展，外科医生可以在术前决定好的手术范围内自由操纵机械臂，ACROBOT技术为后来开发的MAKO系统提供了思路。

成功采用“Hands—On”技术的机器人还有MAKO RIO机器人，被称作“触觉交互”模式的机器人。

MAKO成立于2004年，其前身是 1997 年成立的 Z-KAT，一家源自麻省理工学院的机械臂研发公司。创始人们尝试将WAM全臂机械手应用于手术中，改装成外科手术的试验台，这就是MAKO的原型。

MAKO医疗公司开发的RIO机器人，主要面向膝关节和髋关节置换手术，2013 年被美国医疗器械制造商 Stryker 收购，并更名为MAKO plasty。

▲强调“手感”的MAKO RIO机器人系统

该系统采用基于骨性解剖标志点的配准方法完成三维配准，用光电跟踪器完成工具和患者的实时位置追踪。RIO 系统并不主动完成骨切削，需要术者和机械臂配合，共同操作手术器械进行手术操作，在医生把持下通过力反馈的方式辅助医生完成准确的骨骼切削操作，若偏离手术路径以直接力觉反馈的方式来提示医生。

与ROBODOC不同，MAKO属于半主动式的封闭系统，强调“手感”在关节置换手术中的重要作用，回归到医生现实“触觉”。

▲轻量化手持关节置换手术工具NAVIO，需要医生更多的参与。

此后，各国进一步研究，并相继开发出各自的骨科手术机器人，如更加轻量化的手术工具OMNI iBlock机器人、手持式的膝关节置换机器人NAVIO、机器人辅助手术系统ROSA Knee等，仍需在外科医生直接或间接控制下进行操作，且仅参与外科手术过程中的某一部分。

手术机器人助手的目的更多地演变为稳住手术室里外科医生的双手，赋予手术机器人“触觉”功能，让医师在手术中对机器人恢复“主从地位”。

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烽烟四起：通用智能机器人进化之路

目前，手术机器人国内外市场基本形成腔镜机器人为主、骨科机器人为辅，其他领域手术机器人多元发展的格局。骨科手术机器人又分为关节骨科、创伤骨科以及脊柱外科手术机器人三种。

全球骨科手术机器人行业中的主要企业，如美敦力、史赛克、捷迈邦美、施乐辉等大型医疗器械公司正在加速占领医疗器械市场，竞争进一步激烈，上演群雄争霸。

2013年，史赛克以12亿美元价格收购Mako Surgical及其全膝关节或膝关节单髁置换手术机器人系统 RI0；

2016年，施乐辉收购骨科机器人公司 BlueBelt，2017 年宣布推出 NAVIO 手持式机器人辅助全膝关节置换术应用；

2016年，捷迈邦美通过以 1.32 亿美元收购法国机器人辅助外科公司 Medtech，获得ROSA 平台；

2017年，强生开始就和 Verily Life 合作开展外科手术机器人项目，并于 2019 年收购骨关节机器人公司 Orthotaxy；

2018年，美敦力在以16.4亿美元收购了Mazor Robotics公司，获得了该公司的机器人辅助脊柱手术平台Mazor。

经过几十年不断改进、创新和发展，手术机器人已经展现出其独特的技术优势，不仅引起了手术方式的革命，还推动了精准微创医疗的发展。

传统骨科手术方式易受到患者体位定位、手术器械控制精准度及医生个人经验和疲劳程度等因素的影响，难以精准完成手术规划，降低了手术成功率及可靠性。

骨科手术机器人与AI结合，使微创化、智能安全化、精准化与个性化疾病治疗成为可能，有效弥补了传统骨科手术的不足。手术机器人以人工智能弥补经验的差距，以导航弥补视觉的不足，以机械弥补技巧的不足，以自动化技术克服人体极限。

自2016年始，中国工业机器人累计安装量位列世界第一，是迄今为止全球最大的工业机器人市场。而在医疗机器人领域，更可谓方兴未艾，前景无限，智能外科的边界和高度不断拓宽，医疗通用性及可及性持续提升。

▲第一款国产关节置换手术机器人，配备全球首创自动截骨控制方式。

2022年1月25日，我国第一款国产关节手术机器人获批上市，在全球首次实现机械臂和刀具的一体化和集成化设计，自动控制截骨方式。

从工业的机械设计到人性化因素的融入，再到指数级增长技术的集成，机器人越来越“聪明”，可以与人类医生协同工作，但又独立于人类医生。

从1992年诞生首台骨科机器人以来，到目前全球手术机器人行业井喷增长。

三十年间，手术机器人逐渐改变治疗流程、简化治疗手段、优化治疗理念、扩展治疗边界，即使目前依然需要医生的大脑，但关节置换手术发展趋势必将朝着微创化、精准化、效果一致化稳步前进。

参考资料

1、 郑长万,陈义国,匡绍龙,等.骨科手术机器人的发展现状分析[J].中华骨与关节外科杂志, 2021,14(10):872-877

2、 于洪健,李乾,杜志江. 骨科手术机器人技术发展综述[J]. Robot Technique and Application, 2020,2:19-23

3、 欧阳安,霍文磊. 我国手术机器人产业发展现状及对策建议[J]. 中国仪器仪表, 2021,12:21-25

4、 倪自强,王田苗,刘 达. 医疗机器人技术发展综述[J]. 机械工程学报, 2015, 51(13):45-52

5、王豫,樊瑜波. 医疗机器人:产业未来新革命[M].北京：机械工业出版社.2020-1

6、裴国献. 数字骨科学（第2版）[M].北京：人民卫生出版社

7、约翰·弗兰克·韦弗[美]. 机器人是人吗？[M].上海：上海人民出版社.2018-8