转自：中国科学报

手术机器人被认为是机器人产业“皇冠上的明珠”，它能在手术过程中辅助医生精准操作，减少创口面积，提高了手术中的精准性与安全性。如今，手术机器人已作为医生的“辅助工具”完成了数百万次微创手术。那么，手术机器人能否“脱离”医生的控制，自主完成手术任务呢？

近日，香港中文大学（简称“港中文”）发布消息称，由该校工程学院与医学院组成的多学科研究团队，成功研发出基于人工智能（AI）驱动的手术机器人自动化技术，并将该技术集成于国产机器人中，成功在活体猪模型上实现了组织牵拉、纱布抓取、血管夹闭等多项自主手术操作。相关研究成果近日发表于美国科学促进会刊物《科学·机器人》。

据介绍，这是全球首例多功能手术自动化的活体动物验证，为自动化手术机器人领域发展带来数据驱动的纯视觉解决方案。

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给手术机器人装一双“慧眼”

当前，外科手术中的机器人仍需要医生操控完成。以腔镜手术为例，医生坐在控制台上，除了一只机械臂放置内窥镜之外，医生需要用两只手操控三只机械臂，通过脚下按键频繁切换控制。

而自动化手术机器人往往需要依赖于额外的传感器输入，或基于人工预定义的规则和模型，大大限制了其临床应用的价值。

在该项研究中，港中文团队利用人工智能技术，研发出了手术机器人自动化的具身智能技术框架，该框架整合了机器视觉模型、强化学习和视觉伺服控制技术，无需额外的传感器，就能实时分析内窥镜图像，确保手术任务能够精准、高效安全地自主操控。其中，基于基础模型的视觉感知系统能准确地对各种手术场景进行理解和深度估计

论文通讯作者、港中文计算机科学与工程学系助理教授窦琪介绍，相比起现有的自动化手术机器人，研究团队主要采用具身智能的技术路径实现手术机器人自动化，存在两个技术创新点：一是临床可用性。相比起以往采用的额外传感器的复杂方法，我们采用了纯视觉技术方案，依靠标准的双目视频就能实时准确理解手术场景，为自动化手术机器人装上一双“慧眼”，在临床上更易使用；二是通用性。以往基于模型驱动的自动化方法，针对特定动作建模后难以迁移，研究团队采用数据驱动的交互式学习方式，通过矩阵实现通用性，能适配不同的手术场景，实现不同的手术任务。

本次研究中，科研团队将该技术集成至合作企业康诺思腾腔镜手术机器人中，并在港中文医疗机械人创新技术中心开展活体猪的多功能手术自动化验证，集成的腔镜手术机器人成功完成了血管夹闭、组织牵拉、纱布抓取等多项自主手术操作，进一步推动了自助手术从概念向临床迈进。

多学科合作，打破知识壁垒

2020年，在英国帝国理工大学结束博士后工作后，窦琪回到母校香港中文大学，开始独立建立实验室，围绕手术机器人自动化领域开展研究。

那时，人工智能和手术机器人两个研究领域可以说是“各自为营”，学科交叉并不明显。“开展这项研究时，我们没有太多可以供参考的案例，几乎是从零开始。”窦琪回忆道，随着AI技术浪潮的到来以及机器人具身智能概念的提出，研究团队开始尝试运用交互学习开发手术机器人自动化技术，然而通过调研发现，并没有能够适配AI技术的手术机器人模拟器，学科交叉的壁垒为研究带来极大的挑战。

为此，窦琪带领团队自主研发了手术机器人的具身智能数字孪生平台SurRol，手术机器人自动化技术在这个模拟器上完成训练后，便能够直接将技术迁移到现实生活中的手术机器人平台中。目前，这一手术机器人具身智能模拟平台已向全球手术机器人研究社群开源，进一步助推了自动化手术机器人的发展。

2021年，在产学研合作的推动下，窦琪团队与康诺思腾开启产学研合作，对开发的平台开展软硬件验证工作。随着合作逐渐深入，窦琪团队与企业团队不断提升了手术机器人自动化技术的精准性，为后续的活体动物实验打下了坚实的技术基础。而港中文医学院团队逐渐加入，活体动物实验得以顺利成功开展。在这个过程中，整个项目团队慢慢集结并培养了来自机器视觉、强化学习、工程学、医学等背景的人才，建立了一个在手术机器人领域的多学科交叉研究团队。

“医疗器械人创新技术中心提供了工程创新与临床应用协同发展的独特生态，加速从实验室概念向临床前研究的转化进程。这项医工交叉的研究成果展现了人工智能辅助系统在外科手术领域的革新潜力。”港中文医学院院长赵伟仁表示。

外科医生的“第三只手”

近段时间来，国内外关于手术机器人的研究都取得了不同程度的突破。例如，今年7月，美国霍普金斯大学的研究人员在《科学·机器人》杂志上发表的文章称，他们训练出一个能利用人工智能自主完成胆囊切除手术步骤操作的机器人。

作为与美国同行在同期发表的研究之一，相比之下，窦琪团队提出的手术机器人自动化技术展现出了更强的通用性，手术机器人自主能够实现多项手术任务操作。

一系列突破的背后，如何理解AI手术机器人在临床应用带来的担忧？“让AI独立完成整台手术仍不现实。”窦琪比喻道，发展自动化手术机器人应做到鼓励与监管并进，在规范的框架下有序发展。

“事实上，让AI手术机器人成为医生的‘第三只手’大有可为。”窦琪说道，研究手术机器人自动化技术的目标就像是实现汽车的“辅助驾驶”功能。当医生在操作两只机械臂进行复杂手术操作时，AI机械臂如果能自动承担牵拉、止血等辅助任务，能够减少医生频繁切换器械的负担，提升手术效率，让AI手术机器人成为医生的“第三只手”。

“自动化手术机器人从实验室到手术室的距离，比想象中更近。”窦琪预测，目前研究团队正开展更多轮的动物实验，稳步推进临床转化。未来，他们将进一步围绕手术机器人的个性化协同和功能升级两方面开展，让AI手术机器人学习不同外科医生的操作习惯，优化人机交互体验，真正成为医生的智能伙伴。

相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adt3093