本文選自中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2025年第6期
作者：趙建廠，張鑫，郝石磊，蔡開勇，王樹新
來源：醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展及展望. 中國工程科學(xué), 2025, 27(6): 68-80
編者按
醫(yī)療機(jī)器人是全球高端醫(yī)療裝備的發(fā)展“高地”，與人工智能、腦機(jī)接口、新一代移動(dòng)通信等前沿技術(shù)跨領(lǐng)域融合后成為醫(yī)療行業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力的重要組成部分。醫(yī)療機(jī)器人既是先進(jìn)技術(shù)向醫(yī)療服務(wù)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵載體，也是醫(yī)療技術(shù)高水平應(yīng)用的重要體現(xiàn)，成為推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)變革的重要力量之一；把握醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究態(tài)勢，將支撐我國醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域精準(zhǔn)布局、提升醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭力。
《中國工程科學(xué)》2025年第6期發(fā)表中國工程院王樹新院士研究團(tuán)隊(duì)的研究成果《醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展及展望》。文章基于多維度的調(diào)研與評(píng)估，立足醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展需求，明晰了手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、診斷機(jī)器人、其他醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀，梳理了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、感知反饋、信息處理與導(dǎo)航、遠(yuǎn)程通信與人機(jī)交互、人工智能輔助診療等醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)方向的研究進(jìn)展；進(jìn)一步提煉出智能化與自主化、小型化與柔性化、交互多模態(tài)化與遠(yuǎn)程化、系統(tǒng)集成化與生態(tài)協(xié)同等醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)突破方向。相關(guān)研究成果厘清了醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)與整體態(tài)勢，為構(gòu)建自主可控的醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)體系、提升醫(yī)療科技核心競爭力提供了理論支撐與決策參考。
一、前言
當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入推進(jìn)，人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、新材料等技術(shù)與醫(yī)療領(lǐng)域加速融合。作為高端醫(yī)療裝備的代表，醫(yī)療機(jī)器人是一類應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域、執(zhí)行機(jī)械性工作或輔助醫(yī)療活動(dòng)的機(jī)器人，主要分為手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、診斷機(jī)器人、其他醫(yī)用機(jī)器人4類。醫(yī)療機(jī)器人既是先進(jìn)技術(shù)向醫(yī)療服務(wù)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵載體，也是醫(yī)療技術(shù)高水平應(yīng)用的重要體現(xiàn)，成為推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)變革的重要力量之一；具有輻射面寬、產(chǎn)業(yè)鏈長、技術(shù)擴(kuò)散率高、連帶效應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)，相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)的突破與提升將促進(jìn)醫(yī)療行業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力的形成。
發(fā)達(dá)國家積極制定了與醫(yī)療機(jī)器人相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃及行動(dòng)方案，以支持相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，提升醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量及效率，解決醫(yī)療資源分布不均的行業(yè)難題。美國以監(jiān)管、科研“雙軌”形式支持醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展，在監(jiān)管體系中明確定義機(jī)器人輔助手術(shù)設(shè)備的類別，為臨床應(yīng)用確立制度基礎(chǔ)，將醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)研究列為重點(diǎn)資助方向；通過《國家機(jī)器人計(jì)劃1.0》《國家機(jī)器人計(jì)劃2.0》《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略》等政策文件，明確醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展重要性。日本在《機(jī)器人新戰(zhàn)略》《利用機(jī)器人促進(jìn)社會(huì)變革規(guī)劃》等政策文件中支持護(hù)理與康復(fù)機(jī)器人開發(fā)，將醫(yī)療機(jī)器人作為成長戰(zhàn)略的重點(diǎn)方向。
德國著力發(fā)展智能醫(yī)療，將醫(yī)療技術(shù)、機(jī)器人、AI列為重點(diǎn)投資方向，以國家任務(wù)導(dǎo)向的方式推動(dòng)手術(shù)與醫(yī)療機(jī)器人的技術(shù)研發(fā)及臨床轉(zhuǎn)化。在我國，《優(yōu)化全生命周期監(jiān)管支持高端醫(yī)療器械創(chuàng)新發(fā)展有關(guān)舉措的公告》（2025年）提出，支持高端醫(yī)療器械重大創(chuàng)新，促進(jìn)更多新技術(shù)、新材料、新工藝、新方法應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域；《“十四五”醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（2021年）、《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（2021年）均要求，加快智能醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與應(yīng)用落地。此外，諸多國際性的醫(yī)療設(shè)備制造商和科技企業(yè)，如美國Intuitive Surgical公司、日本Medicaroid株式會(huì)社、歐洲CMR Surgical公司、Moon Surgical公司，都在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)布局。
我國醫(yī)療資源分布不均衡的問題仍然突出，人口老齡化加劇則對(duì)醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量及效率提出了更高要求。加快醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，能夠促進(jìn)落實(shí)“健康中國”發(fā)展目標(biāo)、提升醫(yī)療服務(wù)能力、支撐醫(yī)療行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，也是打破國外技術(shù)壟斷、構(gòu)建自主可控的醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)體系的重大舉措，推動(dòng)我國醫(yī)療行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升國際市場競爭力的必然選擇。在此背景下，本文以技術(shù)自主化、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化為研究切入點(diǎn)，明晰醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀并梳理關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，前瞻醫(yī)療機(jī)器人未來研究方向，為醫(yī)療科技創(chuàng)新能力與核心競爭力、先進(jìn)醫(yī)療裝備更新?lián)Q代、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展等研究提供基礎(chǔ)參考。
二、醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀
（一）手術(shù)機(jī)器人
手術(shù)機(jī)器人是一種輔助外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)、提高手術(shù)精準(zhǔn)度和可控性的機(jī)電系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)手術(shù)模式，手術(shù)機(jī)器人在操作精度、穩(wěn)定性、手術(shù)過程的舒適性等方面具有優(yōu)勢，也提供遠(yuǎn)程操作的能力，對(duì)緩解醫(yī)療資源分布不均具有重要價(jià)值。根據(jù)開展術(shù)式的不同，手術(shù)機(jī)器人細(xì)分為腔鏡手術(shù)機(jī)器人、骨科手術(shù)機(jī)器人、泛血管介入手術(shù)機(jī)器人、自然腔道手術(shù)機(jī)器人、經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人。整體上，降低醫(yī)源性創(chuàng)傷、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診療、降低醫(yī)生操作負(fù)荷是手術(shù)機(jī)器人發(fā)展的主要目標(biāo)，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)、控制以及人機(jī)交互技術(shù)等將支撐手術(shù)機(jī)器人的性能提升與功能拓展。
1. 腔鏡手術(shù)機(jī)器人
腔鏡手術(shù)機(jī)器人是手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域商業(yè)化程度最高的類別，適用術(shù)式與傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)基本一致，可廣泛應(yīng)用于泌尿外科、婦科、普外科等。該類系統(tǒng)由外科醫(yī)生控制臺(tái)、患者床旁機(jī)械臂系統(tǒng)、三維高清影像模塊構(gòu)成，采用主從遙操作模式，按照入路孔數(shù)量分為多孔、單孔兩種，具有微創(chuàng)性、操作精細(xì)度高、運(yùn)動(dòng)靈活性強(qiáng)、震顫過濾效果好等優(yōu)勢。
在多孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人方面，國際上代表性的產(chǎn)品為Intuitive Surgical公司的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人，完成腹腔鏡手術(shù)超過1.4×107例；末端器械具有高自由度的特性，可完成縫合、結(jié)扎等精細(xì)操作，運(yùn)動(dòng)縮放功能可有效規(guī)避手部微顫對(duì)手術(shù)精度的影響，在多科室手術(shù)中表現(xiàn)優(yōu)異。國內(nèi)產(chǎn)品主要有天津大學(xué)主導(dǎo)研發(fā)的“妙手S”、上海微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人（集團(tuán)）股份有限公司研發(fā)的“圖邁”、深圳市精鋒醫(yī)療科技股份有限公司研發(fā)的MP1000等，均進(jìn)入了臨床應(yīng)用階段，正在加快商業(yè)化進(jìn)程。
在單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人方面，國際上代表性的產(chǎn)品為Intuitive Surgical公司的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人SP系統(tǒng)，國內(nèi)產(chǎn)品主要有北京術(shù)銳機(jī)器人股份有限公司研發(fā)的蛇形臂單孔機(jī)器人、上海微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人（集團(tuán)）股份有限公司研發(fā)的“圖邁”單孔手術(shù)機(jī)器人、深圳市精鋒醫(yī)療科技股份有限公司研發(fā)的單孔手術(shù)機(jī)器人SP1000。相關(guān)手術(shù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用從核心科室逐步拓展至多學(xué)科領(lǐng)域，如泌尿外科成為新的主要應(yīng)用方向，婦科、普外科、胸外科均有成熟的應(yīng)用場景，小兒外科等新興領(lǐng)域也實(shí)現(xiàn)技術(shù)適配與臨床落地。
在腔鏡機(jī)器人普及應(yīng)用方面，全球市場主要由國際品牌主導(dǎo)，而國內(nèi)產(chǎn)品在技術(shù)突破后也實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化與商業(yè)化落地，逐步打破市場壟斷格局。國內(nèi)普及呈現(xiàn)區(qū)域分布不均衡的特征，通常優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源集中地區(qū)的應(yīng)用更為廣泛，而基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的應(yīng)用處于起步階段。受益于醫(yī)保政策納入、技術(shù)培訓(xùn)體系完善等因素，相關(guān)應(yīng)用正在向更廣泛的醫(yī)療場景滲透，臨床可及性穩(wěn)步提升。
2. 骨科手術(shù)機(jī)器人
骨科手術(shù)機(jī)器人是手術(shù)機(jī)器人商業(yè)化進(jìn)程中的重要分支，主要針對(duì)脊柱外科、關(guān)節(jié)置換等術(shù)式，可輔助術(shù)者完成椎弓根螺釘植入、人工關(guān)節(jié)置換等核心操作。該系統(tǒng)由術(shù)前規(guī)劃軟件、術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械臂操作平臺(tái)構(gòu)成，通過精準(zhǔn)圖像引導(dǎo)與導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化操作，具有定位精度高、操作穩(wěn)定性強(qiáng)、降低術(shù)中輻射暴露、微創(chuàng)性等優(yōu)勢。
國際上的知名產(chǎn)品有美國Stryker公司的Mako、Zimmer Biomet公司的ROSA等骨科手術(shù)機(jī)器人。國內(nèi)產(chǎn)品主要有北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司的TiRobot脊柱外科手術(shù)機(jī)器人、杭州鍵嘉醫(yī)療科技股份有限公司的Arthrobot關(guān)節(jié)手術(shù)機(jī)器人、北京和華瑞博醫(yī)療科技有限公司的Hurwa骨科導(dǎo)航機(jī)器人等，積累了較大的手術(shù)樣本量，商業(yè)化進(jìn)程持續(xù)深化。
3. 泛血管介入手術(shù)機(jī)器人
泛血管介入手術(shù)機(jī)器人側(cè)重心血管、腦血管、外周血管疾病的精準(zhǔn)介入治療，面向冠狀動(dòng)脈支架植入、腦動(dòng)脈瘤栓塞等術(shù)式，輔助開展血管通路建立、導(dǎo)絲導(dǎo)管操控等關(guān)鍵操作。該系統(tǒng)由三維血管造影融合模塊、遠(yuǎn)程智能操控平臺(tái)、自動(dòng)化器械操作單元構(gòu)成，依托影像導(dǎo)航與路徑規(guī)劃提高手術(shù)過程的智能化及精準(zhǔn)化水平，具有降低術(shù)者輻射損傷、提升復(fù)雜病變手術(shù)成功率、減少操作偏差等優(yōu)勢。
國際上的知名產(chǎn)品有德國西門子醫(yī)療系統(tǒng)有限公司的CorPath GRX、Robocath R-One泛血管介入手術(shù)機(jī)器人。國內(nèi)產(chǎn)品主要有蘇州潤邁德醫(yī)療科技有限公司的FlashBot、賽諾威盛科技（北京）有限公司的sROBOT等泛血管介入手術(shù)機(jī)器人，在臨床研究中展現(xiàn)出應(yīng)用價(jià)值。
4. 自然腔道手術(shù)機(jī)器人
自然腔道手術(shù)機(jī)器人通過消化道、呼吸道等人體自然腔道抵達(dá)目標(biāo)病灶，實(shí)施無體表切口的微創(chuàng)治療；面向經(jīng)胃、經(jīng)支氣管等復(fù)雜術(shù)式，可輔助完成組織切除、活檢等操作。該系統(tǒng)由多自由度柔性機(jī)械臂、高清成像模塊、主從遙操作平臺(tái)、智能路徑規(guī)劃子系統(tǒng)構(gòu)成，借助連續(xù)體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)內(nèi)鏡的靈活性限制，具有手術(shù)創(chuàng)傷極小、術(shù)后恢復(fù)快、操作空間可達(dá)性高、降低醫(yī)生疲勞度等優(yōu)勢。
國際上的知名產(chǎn)品有Intuitive Surgical公司的Ion支氣管機(jī)器人，美國強(qiáng)生公司的Monarch支氣管機(jī)器人、MedRobotics Flex消化道機(jī)器人等。國內(nèi)相關(guān)研發(fā)進(jìn)展顯著，上海微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人（集團(tuán)）股份有限公司、深圳市精鋒醫(yī)療科技股份有限公司正在開發(fā)支氣管鏡機(jī)器人，廣州巧捷力醫(yī)療科技有限公司、深圳市羅伯醫(yī)療科技有限公司正在開發(fā)消化道手術(shù)機(jī)器人。
5. 經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人
經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人通過經(jīng)皮途徑刺入體內(nèi)后抵達(dá)目標(biāo)病灶，實(shí)施精準(zhǔn)穿刺診斷與治療；面向肺、肝等部位組織器官的經(jīng)皮穿刺術(shù)式，可輔助完成活檢、腫瘤消融等操作。該系統(tǒng)由多自由度機(jī)械臂、醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)航模塊、主從控制平臺(tái)、穿刺路徑規(guī)劃子系統(tǒng)構(gòu)成，借助機(jī)器人定位與導(dǎo)航技術(shù)突破手工穿刺的精度限制，具有穿刺精度高、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低、操作一致性好、減少醫(yī)生輻射暴露等優(yōu)勢。
國際上的知名產(chǎn)品有美國Veran公司的IG4磁導(dǎo)航穿刺系統(tǒng)、以色列XACT公司的ACE持針穿刺機(jī)器人等。國內(nèi)相關(guān)研發(fā)進(jìn)展顯著，真健康（北京）醫(yī)療科技有限公司的TH-S1穿刺導(dǎo)航定位系統(tǒng)、武漢聯(lián)影智融醫(yī)療科技有限公司的uInterv-C550主從穿刺機(jī)器人已取得國家藥品監(jiān)督管理局認(rèn)證，在多個(gè)臨床領(lǐng)域填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白，加速了經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人的國產(chǎn)化進(jìn)程。
（二）康復(fù)機(jī)器人
康復(fù)機(jī)器人指專門設(shè)計(jì)和制造用于康復(fù)治療的機(jī)械設(shè)備或機(jī)器人系統(tǒng)。多基于神經(jīng)可塑性理論、運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)理論、鏡像神經(jīng)元理論進(jìn)行康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)，支持患者恢復(fù)或改善受損的身體功能。康復(fù)機(jī)器人具有機(jī)械設(shè)備的固有優(yōu)勢，可以進(jìn)行高強(qiáng)度、高重復(fù)性的訓(xùn)練，將醫(yī)師從繁重、反復(fù)的訓(xùn)練中解脫出來。利用康復(fù)機(jī)器人配置的各類傳感器，測量患者的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、生理學(xué)數(shù)據(jù)，促進(jìn)康復(fù)方案的優(yōu)化改進(jìn)。設(shè)計(jì)交互式系統(tǒng)，激勵(lì)患者主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意愿，增加康復(fù)訓(xùn)練趣味性，提高患者康復(fù)信心，改善康復(fù)效率和效果。
康復(fù)機(jī)器人研究始于20世紀(jì)50年代，起初主要用于肢體殘疾者輔助自我行動(dòng)。隨著康復(fù)醫(yī)學(xué)理論的發(fā)展，相關(guān)研究從康復(fù)護(hù)理轉(zhuǎn)向了康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，重點(diǎn)關(guān)注大腦運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)和重塑。美國麻省理工學(xué)院研制的MIT-MANUS是首個(gè)真正進(jìn)入臨床應(yīng)用的康復(fù)機(jī)器人，通過末端把手牽引患者的上肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肩部及肘部的康復(fù)訓(xùn)練。隨后，康復(fù)機(jī)器人的形態(tài)從末端執(zhí)行器發(fā)展到外骨骼式，針對(duì)的康復(fù)部位也從上肢發(fā)展到下肢再到手部、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等。近年來，隨著AI技術(shù)、神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人成為腦機(jī)接口的主要應(yīng)用載體，如解碼患者運(yùn)動(dòng)意圖后驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人／電刺激以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)康復(fù)，基于腦電信號(hào)構(gòu)建語言假體為患者“恢復(fù)”說話、寫字等能力。盡管康復(fù)機(jī)器人發(fā)展較快，但機(jī)械關(guān)節(jié)與生物關(guān)節(jié)不匹配、感知能力弱、自主學(xué)習(xí)能力缺乏、康復(fù)療效預(yù)測不足等問題依然存在，制約了康復(fù)機(jī)器人的舒適性和智能化水平。相關(guān)研究主要從具身智能、康復(fù)理論兩個(gè)方面開展：前者體現(xiàn)在變構(gòu)形設(shè)計(jì)、多模態(tài)感知與融合、自主學(xué)習(xí)、康復(fù)療效評(píng)估預(yù)測等，后者體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng) ? 認(rèn)知協(xié)同康復(fù)、應(yīng)用腦機(jī)接口后的康復(fù)作用機(jī)制等。
設(shè)計(jì)變構(gòu)形機(jī)構(gòu)，提高康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械關(guān)節(jié)與生物關(guān)節(jié)的匹配性，改善康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用的舒適度。同步測量腦電、肌電、運(yùn)動(dòng)信號(hào)等多模態(tài)信號(hào)，分析康復(fù)過程中患者的神經(jīng)活動(dòng)、肌肉收縮、肢體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)，支持康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)識(shí)別。建立“腦 ? 肌 ? 動(dòng) ? 機(jī)”人機(jī)交互接口與閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知與融合的自然人機(jī)交互控制，提升康復(fù)機(jī)器人的智能化水平。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬場景，支持患者在虛擬場景中與其他元素進(jìn)行實(shí)時(shí)交互；在康復(fù)訓(xùn)練中通過視覺、聽覺等感官刺激反饋并與精準(zhǔn)觸覺反饋融合，加強(qiáng)患者的協(xié)同控制能力，提高康復(fù)過程的趣味性，增強(qiáng)患者的主動(dòng)參與度并擴(kuò)充訓(xùn)練信息。構(gòu)建閉環(huán)控制的脊髓電刺激系統(tǒng)，與多種康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行集成，根據(jù)步態(tài)或騎行節(jié)律來精確控制電刺激模式，使肌肉收縮更接近自然步行狀態(tài)，增強(qiáng)自主運(yùn)動(dòng)能力，減少對(duì)機(jī)器人輔助的依賴。此外，基于新型康復(fù)理論的升級(jí)版康復(fù)機(jī)器人技術(shù)、減小康復(fù)機(jī)器人質(zhì)量、增加電池的續(xù)航能力、降低設(shè)備成本、提高對(duì)不同病理情況的適應(yīng)性等，也是康復(fù)機(jī)器人發(fā)展的重要方面。
（三）診斷機(jī)器人
診斷機(jī)器人是一種協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行健康監(jiān)測和疾病診斷的機(jī)器人系統(tǒng)，融合了機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺、傳感器、AI技術(shù)等，依托大量的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)即可快速且準(zhǔn)確地為醫(yī)生提供診斷支持，主要分為微型體內(nèi)機(jī)器人、結(jié)合AI技術(shù)的診斷系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代，英國利茲大學(xué)開發(fā)了用于腹部劇痛輔助診斷的AAPHelp系統(tǒng)。隨后，美國斯坦福大學(xué)開發(fā)的用于感染病診斷的MYCIN、哈佛醫(yī)學(xué)院研發(fā)的DX plain、Open Clinical公司研發(fā)的Quick Medical Reference等，也是代表性的診斷機(jī)器人。當(dāng)前，AI、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)發(fā)展迅速，診斷機(jī)器人處理醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的能力大幅提升，為智能診斷提供了重要支持，在醫(yī)學(xué)影像分析、治療方案優(yōu)化、個(gè)性化治療、基于電生理信息的疾病診斷等方面都取得了顯著進(jìn)步。
微型體內(nèi)機(jī)器人以膠囊機(jī)器人最具代表性。膠囊機(jī)器人通過口服方式抵達(dá)胃腸道病灶區(qū)域并實(shí)施醫(yī)療功能，支持胃腸道疾病的無痛無創(chuàng)診療，具有較好的患者依從性。2001年膠囊機(jī)器人開始商業(yè)化，隨后成為小腸全面篩查的“金標(biāo)準(zhǔn)”，廣泛應(yīng)用于胃腸道疾病的診斷。盡管膠囊機(jī)器人在使用便利性、診斷敏感性等方面具有優(yōu)勢，但面向小型化、功能化的應(yīng)用需求，受制于有限的膠囊空間結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的胃腸道環(huán)境，相應(yīng)的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力、定位導(dǎo)航能力等均面臨技術(shù)挑戰(zhàn)?？赏ㄟ^內(nèi)部磁化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外部驅(qū)動(dòng)策略，提升膠囊機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性與定位精度。
在結(jié)合AI技術(shù)的診斷系統(tǒng)方面，醫(yī)學(xué)影像分析是主要的應(yīng)用場景，AI表現(xiàn)出超越人類專家的水平。診斷機(jī)器人在學(xué)習(xí)大量的影像數(shù)據(jù)后，即可自動(dòng)識(shí)別微小病變并給出更精準(zhǔn)的診斷結(jié)果；基于深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像超分辨率重建，能夠顯著提升醫(yī)學(xué)圖像清晰度、診斷效率與準(zhǔn)確率。依據(jù)患者的基因信息，評(píng)估對(duì)特定化療藥物的敏感性，為醫(yī)生提供優(yōu)化的治療方案建議；借助強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法并根據(jù)患者的反饋信息，實(shí)時(shí)調(diào)整藥物劑量和治療方案，提升治療的個(gè)性化與有效性。診斷機(jī)器人可作為患者的“健康助手”，定期監(jiān)測病情變化，提醒患者按時(shí)服藥，給予生活方式指導(dǎo)；通過自然語言處理來分析患者的醫(yī)療記錄，提取患者的癥狀、病史等信息，為疾病診斷提供支持。在功能性檢測方面，診斷機(jī)器人配置生化傳感器以及心電圖、腦電圖等傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)采集患者生理數(shù)據(jù)，基于AI技術(shù)快速識(shí)別潛在的疾病風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，診斷機(jī)器人仍存在數(shù)據(jù)依賴問題，加之高質(zhì)量標(biāo)記數(shù)據(jù)獲取難度大、多模態(tài)感知數(shù)據(jù)融合精度不足，需要探索與專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)深度結(jié)合的遷移學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方法。
（四）其他醫(yī)用機(jī)器人
其他醫(yī)用機(jī)器人主要執(zhí)行非治療性醫(yī)療任務(wù)，涵蓋輔助與護(hù)理、消毒與清潔等類型；依托智能化技術(shù)，可替代人工完成輔助性醫(yī)療工作，有效提高醫(yī)療服務(wù)效率并增強(qiáng)安全性，也促使機(jī)器人技術(shù)從手術(shù)等核心治療場景朝著全流程服務(wù)延伸，加快醫(yī)療機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。
在消毒機(jī)器人方面，韓國HD現(xiàn)代機(jī)器人公司的D1防疫機(jī)器人采用“等離子+短波紫外線（UVC）”混合消毒方案，釋放的臭氧濃度遠(yuǎn)低于安全標(biāo)準(zhǔn)（0.001 7 ppm），在重癥加強(qiáng)護(hù)理病房、負(fù)壓病房中得到廣泛應(yīng)用；上海工博士人工智能科技有限公司的銳曼消毒服務(wù)機(jī)器人將UVC與噴霧量控制相結(jié)合，高質(zhì)量執(zhí)行消毒作業(yè)。在患者轉(zhuǎn)運(yùn)場景中，醫(yī)用轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人通過運(yùn)載機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)病床、手術(shù)臺(tái)、計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（CT）之間的無接觸轉(zhuǎn)運(yùn)。飲食護(hù)理機(jī)器人用于輔助失能患者進(jìn)食，通過多種機(jī)械臂組合執(zhí)行喂食動(dòng)作，在護(hù)理機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用比例逐年提升。物資配送機(jī)器人融合移動(dòng)通信、AI、無人駕駛技術(shù)，可分區(qū)搭載多類物資，在激光雷達(dá)、三維視覺傳感器的支持下進(jìn)行跨樓層自主避障配送，提升配送效率。
三、醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展
醫(yī)療機(jī)器人是機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、AI、生物醫(yī)學(xué)工程、通信技術(shù)等學(xué)科深度滲透與協(xié)同創(chuàng)新的前沿交叉領(lǐng)域，相應(yīng)技術(shù)體系始終契合臨床診療精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化、智能化發(fā)展訴求，兼顧人機(jī)友好交互、診療流程高效化、醫(yī)療資源可及性優(yōu)化等多重目標(biāo)。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的邏輯角度來看，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)體系可解構(gòu)為六大核心功能模塊，即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、感知反饋技術(shù)、信息處理與導(dǎo)航技術(shù)、遠(yuǎn)程通信與人機(jī)交互技術(shù)、AI輔助診療技術(shù)；各個(gè)功能模塊具有明確的獨(dú)立技術(shù)定位，再通過“硬件載體 ? 感知輸入 ? 控制執(zhí)行 ? 智能優(yōu)化 ? 交互輸出”的技術(shù)鏈路進(jìn)行有機(jī)耦合。這種多模塊協(xié)同的技術(shù)體系，為微創(chuàng)手術(shù)、遠(yuǎn)程診療、復(fù)雜病癥介入等新型醫(yī)療模式的臨床轉(zhuǎn)化提供了關(guān)鍵支撐，也通過多類技術(shù)的深度融合推動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人從被動(dòng)輔助操作工具向主動(dòng)智能診療系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，對(duì)突破傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)瓶頸、提升臨床診療質(zhì)量及效率具有重要價(jià)值。
（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)
醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需平衡臨床需求與工程約束，是連接機(jī)械性能與醫(yī)療目標(biāo)的關(guān)鍵載體。區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人以生產(chǎn)效率為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)目標(biāo)，醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)采取以安全為核心的設(shè)計(jì)思路，致使相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在材料選擇、交互特性、運(yùn)動(dòng)特性、集成邏輯方面與工業(yè)機(jī)器人之間存在顯著差異。醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)側(cè)重滿足空間拓?fù)涞膱鼍斑m配、材料 ? 構(gòu)型的協(xié)同優(yōu)化、交互安全的約束保障3個(gè)維度的需求。
在空間拓?fù)涞膱鼍斑m配方面，重點(diǎn)關(guān)注操作空間的體積對(duì)醫(yī)療機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的約束，確保機(jī)器人在受限的工作空間內(nèi)開展有效的操作，避免與操作邊界產(chǎn)生交互。相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)在于受限空間內(nèi)具有足夠的姿態(tài)可控性與力傳導(dǎo)能力，同時(shí)避免對(duì)周圍組織的碰撞或牽拉。為了適應(yīng)消化道尺寸的約束，開發(fā)的柔性手術(shù)機(jī)器人采用折疊式氣囊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，壓縮狀態(tài)下直徑為14 mm、長度為110 mm，滿足腸道狹窄空間的通過性要求。在機(jī)器人腹腔鏡手術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)的微創(chuàng)手術(shù)器械采用絲傳動(dòng)方案，支持狹小空間范圍內(nèi)的多自由度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。
在材料 ? 構(gòu)型的協(xié)同優(yōu)化方面，傳統(tǒng)的剛性連桿結(jié)構(gòu)在復(fù)雜軟組織環(huán)境中容易造成損傷，而柔性結(jié)構(gòu)面臨力輸出不足、形變耦合控制困難的問題。相關(guān)研究熱點(diǎn)集中在智能軟體材料、構(gòu)型設(shè)計(jì)。柔性軟體材料在術(shù)前擺位、術(shù)中環(huán)境適應(yīng)、特殊醫(yī)療場景功能實(shí)現(xiàn)等方面可發(fā)揮重要作用。利用模塊化與可調(diào)節(jié)特性，醫(yī)療機(jī)器人的術(shù)前擺位更適配個(gè)性化解剖差異，通過材料的彈性形變與剛度可調(diào)功能來快速匹配不同患者的體型、臟器位置變異。軟體材料的生物相容性和動(dòng)態(tài)形變能力是提升醫(yī)療機(jī)器人與機(jī)體適配性的基礎(chǔ)，因質(zhì)地柔軟而可模擬人體組織的力學(xué)特性，減少器械與軟組織的剛性碰撞。針對(duì)小兒外科、神經(jīng)外科等特殊領(lǐng)域的高要求，利用軟體材料的低侵入性與高安全性，匹配特殊醫(yī)療場景下對(duì)器械的嚴(yán)苛要求，有望拓展醫(yī)療機(jī)器人在高難度、高風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用邊界。例如，采用鎳鈦諾管制造柔性彎曲段，在兩根內(nèi)置肌腱驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行雙向彎曲，實(shí)現(xiàn)狹窄空間內(nèi)的大曲率運(yùn)動(dòng)能力；針對(duì)普外科臟器抓取、組織牽拉等操作需求，提出了基于蜂巢結(jié)構(gòu)的顆粒阻塞變剛度軟體“手指”，具有良好的形狀適應(yīng)性與承載能力。當(dāng)然，軟體材料的材料 ? 構(gòu)型協(xié)同優(yōu)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)，核心難點(diǎn)在于建立材料非線性特性、結(jié)構(gòu)變形、控制策略之間的統(tǒng)一模型。
在交互安全的約束保障方面，主要通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)使用者與機(jī)器人交互的界面安全。例如，在手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中整合機(jī)械硬限位與虛擬邊界約束，運(yùn)用關(guān)節(jié)角度傳感器、物理擋塊的雙重控制，在模型驗(yàn)證中實(shí)現(xiàn)無碰撞操作；通過傳動(dòng)冗余、多根超彈性鎳鈦合金結(jié)構(gòu)骨的冗余布置，確保單根結(jié)構(gòu)骨斷裂時(shí)機(jī)器人仍具有維持負(fù)載能力。該技術(shù)的發(fā)展趨勢是構(gòu)建“結(jié)構(gòu)本體安全 ? 傳感融合 ? 智能約束”的多層級(jí)安全體系，促成醫(yī)療機(jī)器人在臨床使用中的安全可靠。
（二）運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)泛指通過智能算法、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療機(jī)器人精準(zhǔn)軌跡跟蹤、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、環(huán)境自適應(yīng)的核心技術(shù)體系，支持微創(chuàng)手術(shù)、介入治療、康復(fù)輔助等醫(yī)療操作的性能提升。與工業(yè)機(jī)器人強(qiáng)調(diào)重復(fù)精度不同，醫(yī)療場景中更關(guān)注安全約束下的柔順交互與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因而運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需在組織復(fù)雜性、手術(shù)柔順性、非線性動(dòng)態(tài)約束下精準(zhǔn)映射操作者的意圖與生理環(huán)境。
運(yùn)動(dòng)控制涉及高精度軌跡規(guī)劃與生成、動(dòng)態(tài)響應(yīng)與抗干擾控制、人機(jī)交互與環(huán)境自適應(yīng)控制三方面。① 高精度軌跡規(guī)劃與生成主要指機(jī)器人在手術(shù)場景中對(duì)連續(xù)平滑路徑的預(yù)演及優(yōu)化。相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)是在動(dòng)態(tài)、受限、非結(jié)構(gòu)化的手術(shù)環(huán)境中同時(shí)滿足組織避障、微創(chuàng)路徑、器械冗余約束的要求。針對(duì)復(fù)雜手術(shù)任務(wù)提出了適用于6個(gè)自由度機(jī)器人器械的集成規(guī)劃與控制框架，利用節(jié)點(diǎn)狀態(tài)空間表示機(jī)器人狀態(tài)，確保了每個(gè)過程中的軌跡都是全局可行的。② 動(dòng)態(tài)響應(yīng)與抗干擾控制主要指機(jī)器人在術(shù)中操作時(shí)對(duì)組織反作用力等外部擾動(dòng)的實(shí)時(shí)抑制與姿態(tài)修正。在毫秒級(jí)響應(yīng)周期內(nèi)精確估計(jì)外力并穩(wěn)定控制器輸出，確保操作柔順與穩(wěn)定是研究前沿。采用帶有不確定性觀測器、基于李雅普諾夫方法的改進(jìn)型控制策略，實(shí)現(xiàn)外力干擾下精確的軌跡跟蹤。③ 人機(jī)交互與環(huán)境自適應(yīng)控制主要指機(jī)器人通過阻抗調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)與手術(shù)環(huán)境的柔順適配。建立涉及“機(jī)器人 ? 組織 ? 操作者”的動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)跨模態(tài)信息在控制層的實(shí)時(shí)融合是研究挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)遙操作超聲機(jī)器人的共享柔順控制系統(tǒng)，融合主／從人機(jī)共享控制方法，以更好適應(yīng)人體腹部的變化環(huán)境，確保待測者的身體安全并可應(yīng)對(duì)可能的突發(fā)情況。
運(yùn)動(dòng)控制還包含力 ? 位混合控制，通過伺服電機(jī)與力傳感器的閉環(huán)反饋，直接向執(zhí)行端輸出優(yōu)化后的力矩／位置指令，使手術(shù)機(jī)器人在人體組織中操作的同時(shí)滿足軌跡精度與力安全約束，提高手術(shù)操作的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)依賴多模態(tài)狀態(tài)感知為運(yùn)動(dòng)控制提供關(guān)鍵狀態(tài)信息。關(guān)節(jié)編碼器與慣性測量單元的融合定位、器械末端接觸力與組織特征的關(guān)聯(lián)分析、歷史操作序列的趨勢預(yù)測等，是醫(yī)療機(jī)器人動(dòng)態(tài)控制的主要研究方向。
（三）感知反饋技術(shù)
感知反饋技術(shù)泛指通過位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器等傳感模塊，實(shí)現(xiàn)位置、交互、環(huán)境等多模態(tài)信息的監(jiān)測與反饋，支持醫(yī)療機(jī)器人的高階力／運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制。感知可分為3個(gè)層面：醫(yī)療機(jī)器人的精確感知和信息提取，主要指醫(yī)療機(jī)器人在介入場景過程中對(duì)自身形態(tài)的感知；人的精確感知和信息復(fù)現(xiàn)，主要指醫(yī)生在利用器械對(duì)組織進(jìn)行操作過程中的質(zhì)地感覺和力觸覺感知；環(huán)境感知多維信息融合，主要指通過場景態(tài)勢感知來延伸人眼的觀察能力。
力感知／力傳感是感知反饋的核心共性技術(shù)，尤其是基于觸覺傳感器的力信息采集技術(shù)，能夠克服基于數(shù)學(xué)／物理模型間接估計(jì)帶來的精度隱患。其中，光纖布拉格光柵（FBG）傳感器憑借微型化封裝、良好的生物相容性、電磁免疫等特性，成為手術(shù)機(jī)器人原位力感知技術(shù)方面的研究熱點(diǎn)。當(dāng)然，F(xiàn)BG傳感器在測量誤差、系統(tǒng)復(fù)雜度等方面仍存在技術(shù)瓶頸，可通過傳感結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、封裝工藝改進(jìn)、精度校準(zhǔn)方法及智能算法優(yōu)化來進(jìn)一步提升力感知系統(tǒng)的性能和可靠性。柔性傳感器性能優(yōu)異、易貼合不規(guī)則表面，出現(xiàn)了壓阻式、電容式、壓電式、磁學(xué)式、光學(xué)式等方案。聚合物光波導(dǎo)觸覺傳感器具有優(yōu)異的柔韌性，可以解決傳感器與曲面集成的兼容問題，也是觸覺感知的研究前沿。例如，折射式光波導(dǎo)觸覺傳感器的彎曲角度分辨率遠(yuǎn)高于薄膜式傳感器，安裝在手套上可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)彎曲角度探測、關(guān)節(jié)受力探測。
在感知下游，手術(shù)機(jī)器人“力”鏈條中還包括力反饋技術(shù)，通過觸覺反饋裝置直接向操作者施加感知端的“力”，使手術(shù)機(jī)器人通過傳感器感知“力”并實(shí)時(shí)反饋給操作者；模擬醫(yī)生手感，建立本體感知，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同閉環(huán)的操作控制，提高操作的精度和安全性，避免過度施力造成的損傷。視覺感知對(duì)于提供高清手術(shù)視野、空間定位等至關(guān)重要，術(shù)前影像與術(shù)中實(shí)時(shí)影像的配準(zhǔn)融合、手術(shù)視野上疊加力與組織硬度分布等信息的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、深度信息感知等，是視覺反饋的核心技術(shù)因素。
醫(yī)療機(jī)器人觸覺、力覺的感知能力趨向精細(xì)，如北京通用人工智能研究院、北京大學(xué)、英國倫敦大學(xué)等聯(lián)合研制的F-TAC Hand是國際上首個(gè)兼具全手高分辨率觸覺感知、完整運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器手系統(tǒng)，在不影響靈活性的前提下解決了觸覺覆蓋、運(yùn)動(dòng)自由的矛盾，提供了超越人類手部穩(wěn)定性的操作能力。多模態(tài)感知信息融合也是研究熱點(diǎn)，香港中文大學(xué)的RoboNurse-VLA手術(shù)護(hù)士機(jī)器人融合了“視覺 ? 語言 ? 動(dòng)作”感知信息，展現(xiàn)出良好的環(huán)境適應(yīng)性和任務(wù)泛化能力。可以預(yù)判，感知反饋技術(shù)的發(fā)展將使醫(yī)療機(jī)器人在精細(xì)復(fù)雜的醫(yī)療場景中更加安全、智能地輔助醫(yī)生甚至自主完成操作。
（四）信息處理與導(dǎo)航技術(shù)
信息處理與導(dǎo)航技術(shù)泛指通過多源數(shù)據(jù)融合算法與空間定位系統(tǒng)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)手術(shù)場景精準(zhǔn)建模、器械實(shí)時(shí)追蹤、路徑動(dòng)態(tài)更新的核心技術(shù)體系，支持提升微創(chuàng)外科、介入放射、神經(jīng)外科等高精度醫(yī)療操作的精準(zhǔn)度。信息處理與導(dǎo)航涉及三方面：多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像處理與三維重建，主要指在術(shù)前規(guī)劃階段對(duì)CT、核磁共振成像等影像數(shù)據(jù)的分割、配準(zhǔn)以及解剖結(jié)構(gòu)的三維可視化；術(shù)中實(shí)時(shí)信息融合與狀態(tài)估計(jì)，主要指在手術(shù)過程中對(duì)超聲、內(nèi)鏡等實(shí)時(shí)影像與器械位置信息的時(shí)空校準(zhǔn)及動(dòng)態(tài)整合；基于解剖約束的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航，主要指在規(guī)避重要血管神經(jīng)的前提下為機(jī)器人器械生成最優(yōu)操作路徑。其中，影像引導(dǎo)與空間定位的融合是核心共性技術(shù)，高精度定位技術(shù)性能優(yōu)異、可實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)空間追蹤，出現(xiàn)了光學(xué)定位、電磁定位、機(jī)械臂協(xié)同定位等方案，為手術(shù)器械的實(shí)時(shí)導(dǎo)航提供重要保障。此外，定位導(dǎo)航技術(shù)中還包括動(dòng)態(tài)路徑修正，即通過術(shù)中實(shí)時(shí)影像反饋與術(shù)前規(guī)劃模型的比對(duì)分析，自動(dòng)調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，使手術(shù)機(jī)器人在組織移位等突發(fā)情況下保持操作精度，建立“影像 ? 定位 ? 執(zhí)行”的閉環(huán)導(dǎo)航。
信息處理與導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢為全息感知、智能預(yù)測、多模態(tài)決策融合，即在統(tǒng)一時(shí)空框架下實(shí)現(xiàn)從影像信息到操作策略的深度聯(lián)動(dòng)。在具有實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)能力的導(dǎo)航系統(tǒng)支持下，醫(yī)療機(jī)器人可在復(fù)雜的解剖環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)導(dǎo)航與精準(zhǔn)干預(yù)，推動(dòng)從輔助執(zhí)行邁向智能輔助決策的新應(yīng)用階段。
（五）遠(yuǎn)程通信與人機(jī)交互技術(shù)
遠(yuǎn)程通信與人機(jī)交互技術(shù)泛指通過低延遲網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議與自然人機(jī)接口的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)跨空間手術(shù)指令傳遞、操作意圖精準(zhǔn)解讀與實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋，支持提升遠(yuǎn)程手術(shù)等跨地域醫(yī)療操作能力。遠(yuǎn)程通信與人機(jī)交互涉及三方面：高可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，主要指手術(shù)機(jī)器人在遠(yuǎn)程操作過程中對(duì)高清影像、力反饋信號(hào)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)且無丟包傳輸；自然人機(jī)意圖交互，主要指醫(yī)生通過操作手柄、眼動(dòng)追蹤等設(shè)備將手術(shù)操作意圖精準(zhǔn)傳遞給機(jī)器人；多模態(tài)狀態(tài)反饋呈現(xiàn)，主要指將機(jī)器人的操作狀態(tài)、組織響應(yīng)等信息通過視覺和觸覺等方式實(shí)時(shí)反饋給醫(yī)生。其中，低延遲遠(yuǎn)程通信協(xié)議與意圖識(shí)別算法的融合是核心共性技術(shù)。此外，操作意圖的精準(zhǔn)捕捉依賴高精度的人機(jī)交互設(shè)備，在商業(yè)化的手術(shù)機(jī)器人醫(yī)生操作臺(tái)以外，力反饋操作手柄、肌電傳感器、眼動(dòng)儀等也為實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)提供了可行方案。
在真實(shí)的遠(yuǎn)程手術(shù)場景中，雙向?qū)崟r(shí)交互控制技術(shù)至關(guān)重要，通過遠(yuǎn)程通信鏈路與本地人機(jī)接口的閉環(huán)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生操作意圖與機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作的實(shí)時(shí)匹配；支持遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人在跨空間場景下保持與本地操作一致的響應(yīng)精度，實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程指令 ? 本地執(zhí)行 ? 狀態(tài)反饋”的閉環(huán)交互，提高遠(yuǎn)程手術(shù)的操作可靠性和安全性。此外，自適應(yīng)交互參數(shù)調(diào)節(jié)為復(fù)雜場景下的人機(jī)協(xié)同提供了關(guān)鍵支持，基于醫(yī)生操作習(xí)慣的交互參數(shù)個(gè)性化調(diào)整、根據(jù)手術(shù)難度的反饋強(qiáng)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)適配、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的傳輸策略開展實(shí)時(shí)優(yōu)化，是遠(yuǎn)程人機(jī)交互的核心構(gòu)成。
（六）人工智能輔助診療技術(shù)
AI輔助診療技術(shù)泛指應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)、生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)等算法，基于海量的多模態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜規(guī)律的挖掘與預(yù)測，為疾病診斷、臨床治療等提供輔助。AI輔助診療技術(shù)已貫穿診療全過程并延伸至手術(shù)機(jī)器人路徑規(guī)劃、臨床試驗(yàn)優(yōu)化、藥物研發(fā)等場景，形成了以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、算法突破、場景延拓為支柱的技術(shù)體系。AI技術(shù)賦能醫(yī)療機(jī)器人，形成精準(zhǔn)采集、多模態(tài)感知及融合、智能分析與診斷、自主學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等能力，深度分析患者數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)個(gè)性化管理，提升醫(yī)療機(jī)器人診療的準(zhǔn)確性與全面性。
醫(yī)學(xué)影像分析是AI在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最先應(yīng)用的場景之一。AI輔助醫(yī)學(xué)影像分析已在腫瘤科、皮膚科、心血管內(nèi)科等?？偏@得應(yīng)用，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Transformer、生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)等模型架構(gòu)精準(zhǔn)分析多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像，從大量病例中尋找出患者的疾病模式及變化規(guī)律。近年來，自然語言處理在AI輔助診療方向應(yīng)用迅速，依賴高質(zhì)量的醫(yī)學(xué)語料庫和先進(jìn)的算法模型來處理非結(jié)構(gòu)化的醫(yī)療文本數(shù)據(jù)。利用已有的醫(yī)學(xué)知識(shí)與專家經(jīng)驗(yàn)，搭建知識(shí)圖譜和大模型，輔助醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)行更精準(zhǔn)的智能輔助診療，為患者提供個(gè)性化的健康管理服務(wù)；在醫(yī)護(hù)端，生成式對(duì)話模型實(shí)現(xiàn)了語音轉(zhuǎn)文字、長句自動(dòng)拆解等功能，輔助醫(yī)生與患者的溝通交流、智能問診，搭建的醫(yī)學(xué)知識(shí)圖譜顯著提高了醫(yī)療服務(wù)效率。此外，強(qiáng)化學(xué)習(xí)為提升手術(shù)機(jī)器人的智能化能力提供強(qiáng)大支持，可提高植入物定位的準(zhǔn)確性、減少術(shù)中出血、提高神經(jīng)保留率。
AI輔助診療技術(shù)已從只出結(jié)果的“黑箱”技術(shù)逐步朝著“結(jié)果與邏輯”并重的方向發(fā)展，如蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院、西湖大學(xué)聯(lián)合發(fā)布的臨床級(jí)多模態(tài)病理大模型SooPathAI，初步實(shí)現(xiàn)了可解釋的輔助診療。AI輔助診療技術(shù)也逐步從解決單一任務(wù)擴(kuò)展到涵蓋疾病篩查、診斷、預(yù)后評(píng)估、隨訪的全流程，有望重塑醫(yī)學(xué)研究范式，提升醫(yī)療服務(wù)的精準(zhǔn)性與可及性。未來，在可解釋AI、聯(lián)邦學(xué)習(xí)等技術(shù)的支持下，AI輔助診療技術(shù)將邁向更高階的人機(jī)協(xié)同。
四、醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)突破方向
（一）智能化與自主化
智能化與自主化是推動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人從操作工具邁向智能助手的核心路徑。傳統(tǒng)的醫(yī)療機(jī)器人僅能執(zhí)行預(yù)設(shè)動(dòng)作，無法理解病理語境，難以動(dòng)態(tài)應(yīng)對(duì)復(fù)雜場景，具體操作依賴醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)，制約應(yīng)用效率與精準(zhǔn)度。得益于AI、具身智能、大模型技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)療機(jī)器人逐步具備了認(rèn)知推理與自主規(guī)劃能力，有望在影像輔助診斷、精準(zhǔn)手術(shù)、康復(fù)評(píng)估等場景中實(shí)現(xiàn)自主決策。智能化與自主化的發(fā)展能夠提升醫(yī)療的安全性與標(biāo)準(zhǔn)化水平，將助力優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源均衡分布，促進(jìn)醫(yī)療體系的均衡化與智能化轉(zhuǎn)型。
智能化與自主化發(fā)展面臨算法泛化能力不足、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)能力缺失、倫理邊界不明等主要挑戰(zhàn)。① 在算法層面，現(xiàn)有模型多依賴典型病例訓(xùn)練。以機(jī)器人腔鏡手術(shù)為例，模型對(duì)罕見病、解剖結(jié)構(gòu)變異等特殊臨床場景的樣本覆蓋不足，易出現(xiàn)操作路徑規(guī)劃偏差；難以實(shí)時(shí)適配術(shù)中組織水腫、腸管意外蠕動(dòng)等動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致精細(xì)操作時(shí)的精度波動(dòng)。② 在數(shù)據(jù)層面，不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)的影像數(shù)據(jù)、手術(shù)視頻等的存儲(chǔ)格式與標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致跨平臺(tái)整合訓(xùn)練難度較大。腫瘤病理、基因檢測等敏感數(shù)據(jù)受隱私法規(guī)的嚴(yán)格約束，即便采用隱私計(jì)算技術(shù)，也難以在保障數(shù)據(jù)安全的同時(shí)兼顧訓(xùn)練效率，如多中心聯(lián)合訓(xùn)練中病理切片數(shù)據(jù)的加密傳輸與并行計(jì)算易出現(xiàn)延遲。③ 在倫理與實(shí)踐層面，自主決策的權(quán)限邊界缺乏明確界定，如醫(yī)療機(jī)器人自主識(shí)別微小出血點(diǎn)后，是否可直接啟動(dòng)止血操作尚未形成行業(yè)規(guī)范。相關(guān)責(zé)任認(rèn)定體系不完善，若術(shù)后并發(fā)癥源于算法對(duì)病灶的誤判、醫(yī)生對(duì)機(jī)器人操作的監(jiān)督缺失、設(shè)備硬件出現(xiàn)故障，現(xiàn)有法律與倫理框架難以明確追責(zé)主體，不利于臨床推廣應(yīng)用。
后續(xù)，可建立動(dòng)態(tài)聯(lián)邦學(xué)習(xí)與差分隱私機(jī)制，貫通多中心數(shù)據(jù)協(xié)作渠道，保持算法的持續(xù)優(yōu)化與泛化。構(gòu)建具備因果推理與意圖識(shí)別能力的認(rèn)知決策模型，提升醫(yī)療機(jī)器人在復(fù)雜場景下的自主應(yīng)變水平。建立跨學(xué)科倫理審查機(jī)制、可追溯責(zé)任體系，利用區(qū)塊鏈技術(shù)記錄決策過程，支持“技術(shù)可信 ? 倫理可控 ? 責(zé)任可查”的閉環(huán)治理。以上述進(jìn)步為基礎(chǔ)，推動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人向高可靠性、人機(jī)共融的智能輔助決策主體演進(jìn)。
（二）小型化與柔性化
小型化與柔性化是醫(yī)療機(jī)器人適應(yīng)人體復(fù)雜結(jié)構(gòu)、降低術(shù)中創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵舉措。隨著微創(chuàng)、介入等手術(shù)的普及，醫(yī)療機(jī)器人需要在血管、腔道、臟器等狹小空間中精確操作，而傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)無法滿足此類臨床需求。小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可提高操作可達(dá)性與空間利用率，柔性化材料應(yīng)用能有效減少組織損傷并增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)順應(yīng)性，兩方面結(jié)合將推動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人從體外操控邁向體內(nèi)智控，顯著提升微創(chuàng)診斷與治療的技術(shù)水平。
小型化與柔性化的核心難題在于微型驅(qū)動(dòng)效率衰減、柔性結(jié)構(gòu)感知精度下降、能源供給受限。當(dāng)機(jī)器人尺度縮小后，傳統(tǒng)的電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)方式不再滿足常規(guī)解剖結(jié)構(gòu)的操作力需求，柔性機(jī)構(gòu)在復(fù)雜形變過程中易產(chǎn)生非線性響應(yīng)而影響定位與力反饋的精度，體內(nèi)無線供能與能量管理技術(shù)尚不成熟而難以支撐長時(shí)間、高強(qiáng)度的腔內(nèi)作業(yè)。此外，微納制造精度、材料生物相容性、系統(tǒng)集成密度等方面的能力受限，也制約著小型化醫(yī)療機(jī)器人的工作穩(wěn)定性與可靠性。
后續(xù)，可從材料、驅(qū)動(dòng)、感知、能源4個(gè)方面進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)。研發(fā)磁驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)、聲場驅(qū)動(dòng)等新型微驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提升醫(yī)療機(jī)器人的能效密度。采用液態(tài)金屬、可編程柔性材料，優(yōu)化醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)彈性與可控性。集成高靈敏的柔性應(yīng)變與壓力傳感網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)補(bǔ)償算法，實(shí)時(shí)校正醫(yī)療機(jī)器人的形變。突破高效的無線能量傳輸與微型能源單元技術(shù)，構(gòu)建體內(nèi)能源閉環(huán)系統(tǒng)。通過多物理場耦合設(shè)計(jì)、智能控制協(xié)同，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)精準(zhǔn)且安全的微創(chuàng)操作。
（三）交互多模態(tài)化與遠(yuǎn)程化
交互多模態(tài)化與遠(yuǎn)程化是擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源共享范圍、提升人機(jī)協(xié)同水平的重要手段。傳統(tǒng)的醫(yī)療機(jī)器人在操作過程中依賴視覺和機(jī)械輸入，難以全面捕捉醫(yī)生的操作意圖和患者的生理狀態(tài)。整合視覺、語音、觸覺、生理等多模態(tài)信號(hào)并進(jìn)行融合交互，可實(shí)現(xiàn)信息的多維感知與多模態(tài)反饋，使操作醫(yī)療機(jī)器人更具沉浸感。結(jié)合應(yīng)用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將有效打破地域限制，支持專家開展跨區(qū)域的精準(zhǔn)操作，由此顯著提升醫(yī)療公平性與應(yīng)急響應(yīng)能力，加快構(gòu)建智慧醫(yī)療體系。
多模態(tài)交互系統(tǒng)面臨信息沖突、模態(tài)歧義、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等問題。不同模態(tài)的信息之間可能存在異步與噪聲干擾，會(huì)造成醫(yī)療機(jī)器人誤判手術(shù)狀態(tài)，導(dǎo)致意圖解讀錯(cuò)誤。在遠(yuǎn)程通信中，端到端通信延遲和丟包會(huì)造成醫(yī)療機(jī)器人動(dòng)作的畸變與操作狀態(tài)的滯后感知，影響手術(shù)精度與安全。醫(yī)療數(shù)據(jù)在傳輸過程中存在隱私泄露與網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前的多模態(tài)融合算法難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜手術(shù)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)變化，在實(shí)時(shí)性與魯棒性方面尚不足以滿足醫(yī)療場景的嚴(yán)苛需求。
后續(xù)，可構(gòu)建基于注意力機(jī)制的多模態(tài)融合模型，實(shí)施對(duì)不同感知通道權(quán)重的動(dòng)態(tài)分配，提高意圖識(shí)別的準(zhǔn)確性。采用超低時(shí)延通信、邊緣計(jì)算、云端協(xié)同架構(gòu)，降低遠(yuǎn)程操作時(shí)延并提升實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。結(jié)合運(yùn)用端到端加密與區(qū)塊鏈存證技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸安全與決策可追溯。發(fā)展具有自學(xué)習(xí)和語義理解能力的交互系統(tǒng)，使醫(yī)療機(jī)器人的多模態(tài)感知、智能協(xié)同、安全通信能力獲得系統(tǒng)性突破。
（四）系統(tǒng)集成化與生態(tài)協(xié)同
系統(tǒng)集成化與生態(tài)協(xié)同標(biāo)志著醫(yī)療機(jī)器人從單機(jī)智能向群體智能與系統(tǒng)化醫(yī)療生態(tài)演進(jìn)的新階段。當(dāng)前的醫(yī)療機(jī)器人多為單一功能設(shè)備，缺乏跨系統(tǒng)協(xié)作與信息共享能力，難以適應(yīng)復(fù)雜臨床場景需求。通過系統(tǒng)集成化，可實(shí)現(xiàn)手術(shù)、康復(fù)、護(hù)理等模塊的統(tǒng)一調(diào)度與協(xié)同；通過生態(tài)協(xié)同，可形成涉及醫(yī)生、機(jī)器人、數(shù)字孿生模型的實(shí)時(shí)互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人成為智慧醫(yī)院基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。
系統(tǒng)集成化方面的主要問題是異構(gòu)設(shè)備之間的協(xié)議不兼容、數(shù)據(jù)互操作性差、控制系統(tǒng)協(xié)同效率低、多機(jī)器人協(xié)作穩(wěn)定性不足。不同廠商設(shè)備的數(shù)據(jù)接口與控制邏輯缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，難以實(shí)現(xiàn)無縫互聯(lián)。群體機(jī)器人之間的協(xié)同規(guī)劃與任務(wù)分配算法復(fù)雜度高，尚不具備安全協(xié)同的基本條件。系統(tǒng)化運(yùn)行對(duì)算力資源、實(shí)時(shí)監(jiān)控等要求嚴(yán)苛，在保證安全性的前提下開展高效調(diào)度與資源共享仍是難題。
后續(xù)，可構(gòu)建開放式醫(yī)療機(jī)器人操作系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議，支持軟硬件解耦與跨平臺(tái)協(xié)同。發(fā)展基于分布式控制與強(qiáng)化學(xué)習(xí)的群體智能算法，提升多機(jī)器人協(xié)作的效率與穩(wěn)定性。結(jié)合數(shù)字孿生與云邊融合架構(gòu)，建立虛實(shí)同步的動(dòng)態(tài)感知與預(yù)測控制能力。建立跨產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟，推動(dòng)醫(yī)療數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，形成設(shè)備互認(rèn)證與數(shù)據(jù)互信機(jī)制。通過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)智能化的共同驅(qū)動(dòng)，培育覆蓋診療、康復(fù)、護(hù)理全流程的智能醫(yī)療機(jī)器人協(xié)同生態(tài)。
五、結(jié)語
本文系統(tǒng)梳理了醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，辨析了醫(yī)療機(jī)器人在全球高端醫(yī)療裝備競爭中的重要地位以及支撐醫(yī)療行業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力形成的核心價(jià)值。手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、診斷機(jī)器人、其他醫(yī)用機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)多場景臨床應(yīng)用，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品依托技術(shù)進(jìn)步逐步打破了國外企業(yè)的市場壟斷地位，在腔鏡手術(shù)、脊柱康復(fù)、影像診斷等領(lǐng)域構(gòu)建了較為成熟的應(yīng)用范式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、感知反饋、信息處理與導(dǎo)航、遠(yuǎn)程通信與人機(jī)交互、AI輔助診療等關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成了醫(yī)療機(jī)器人的核心技術(shù)框架，智能化與自主化、小型化與柔性化、交互多模態(tài)化與遠(yuǎn)程化、系統(tǒng)集成化與生態(tài)協(xié)同等成為未來醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)突破方向。相關(guān)研究成果厘清了醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)與整體態(tài)勢，為構(gòu)建自主可控的醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)體系、提升醫(yī)療科技核心競爭力提供了理論支撐與決策參考。
面向未來，醫(yī)療機(jī)器人朝著“技術(shù)深度融合 ? 臨床深度適配 ? 產(chǎn)業(yè)深度協(xié)同”的方向加速演進(jìn)。在技術(shù)層面，AI、腦機(jī)接口、新一代移動(dòng)通信等前沿技術(shù)與醫(yī)療機(jī)器人的跨領(lǐng)域融合更趨緊密，推動(dòng)智能輔助決策算法、柔性驅(qū)動(dòng)材料、多模態(tài)交互系統(tǒng)等瓶頸環(huán)節(jié)的持續(xù)突破，支持實(shí)現(xiàn)“感知 ? 決策 ? 執(zhí)行”全鏈條的智能化升級(jí)。在臨床層面，將從單一治療場景向“預(yù)防 ? 診斷 ? 治療 ? 康復(fù) ? 護(hù)理”全流程延伸，助力形成個(gè)性化、精準(zhǔn)化、普惠化的醫(yī)療服務(wù)新模式，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源均衡分布，更好適配老齡化社會(huì)的健康需求。在產(chǎn)業(yè)層面，通過標(biāo)準(zhǔn)化體系構(gòu)建、跨機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)同、“產(chǎn)學(xué)研用”生態(tài)整合，破解異構(gòu)設(shè)備兼容、數(shù)據(jù)安全共享等行業(yè)痛點(diǎn)，推動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人從單機(jī)產(chǎn)品向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化的智慧醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型。隨著技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)生態(tài)的持續(xù)完善，醫(yī)療機(jī)器人將成為“健康中國”戰(zhàn)略實(shí)施的核心支撐力量，為全球醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)的變革與發(fā)展注入持續(xù)動(dòng)力。
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