00后中国博士生用宇树G1完成活体胆囊切除
本文授权转载自 DeepTech深科技，作者加洋
一台身高1.5米、体重27公斤的通用人形机器人，在一头猪身上完成了腹腔镜胆囊切除术。7月8日发表在《自然》上的这篇论文来自加州大学圣迭戈分校（UCSD）。研究团队一共完成了两台手术：第一台由一台人形机器人主刀、一名人类外科医生在床旁辅助；第二台由两台人形机器人并排站在手术台旁，以机器人搭档的方式完成。两台手术均未中途转为传统腹腔镜或开放手术。这是迄今为止，通用人形机器人第一次完成活体手术。
由人形机器人和担任助手的人类外科医生组成的团队成功完成了手术（来源：UC San Diego Today）
执行这台手术的机器人绰号叫Surgie，其本体是一个宇树G1机器人，身高约 1.5米，体重约27公斤。研究团队为手术场景做了专门改造：他们设计了一副连接装置，让机器人的手能握住韩国公司LivsMed生产的商用腕式腹腔镜器械（和人类外科医生用的同款）。
器械末端的开合由伺服驱动的手指接口控制，夹持角度实时映射到0至45度范围。外科医生坐在操控台前，通过立体视频头显观看内窥镜画面，用一对主手操控器（MTM）驱动机器人双臂。
整套遥操作框架由论文第一作者兼通讯作者、UCSD电气与计算机工程系在读博士生梁泽楷（Lucas Zekai Liang）设计搭建，他在该校Michael Yip实验室研究手术机器人和机器人学习，这也是他博士期间的核心工作。
手术人形平台的遥操作系统（来源：Nature）
相比之下，目前全球装机量最大的手术专用机器人系统是达芬奇（da Vinci），需配备三到四条专用机械臂、专有器械和软件系统。整套设备重约816公斤，售价在180万到250万美元之间，手术室通常需要专门改造才能容纳它。
而Surgie重仅27公斤，可以像人一样走进手术室，站到手术台旁就能工作。论文共同通讯作者、UCSD外科助理教授Shanglei Liu说：“成本是它（达芬奇）的一个零头，占用的空间也是一个零头。从偏远农村到战场，甚至太空，都容易部署。”
但要让一台通用人形机器人做腹腔镜手术，首先得解决一个核心工程难题。腹腔镜手术中，所有器械都穿过腹壁上的套管穿刺口进入体内，操作过程中器械必须始终绕穿刺口这个固定点旋转，外科术语叫“远程运动中心”（RCM）。
达芬奇通过精密的机械结构把旋转支点硬性固定住，人形机器人没有这种专用结构，必须靠视觉感知和控制算法“虚拟地”维持支点位置。研究团队在套管口贴上 ArUco视觉标记码，由机器人头部摄像头识别定位，再通过逆运动学求解器实时调整手臂姿态，使器械始终绕穿刺口旋转。这是整套系统能做手术的前提条件，也是后来在活体手术中反复出问题的地方。
那精度到底够不够？论文在干实验环境下做了系统对比。在一项双手橡皮圈替换任务中，18名不同经验水平的参与者分别使用人形机器人、dVRK（达芬奇研究套件）和徒手操作三种方式完成任务，人形机器人的加权误差为4.53，dVRK 为4.59，精度几乎一样；在外科医生群体中，使用人形机器人时的误差甚至最低。
但完成时间差距明显，dVRK平均43秒，人形机器人要慢得多。系统的跟随延迟约156毫秒，也就是从外科医生移动操控器到机器人手臂做出响应之间有这么长的时滞。
另一项FLS（基础腹腔镜技能）钉子转移测试中，13名参与者参与，达芬奇Xi 在评分和用时上均领先。总体来看，Surgie的精度已经够用，但速度还差得远。
用户研究任务的操作性能及研究后调查结果（来源：Nature）
在活体手术中，这个差距体现得更加明显。论文详细记录了两台手术的时间构成，结果显示这套系统在组织解剖、关键安全视野的获取、钛夹夹闭、胆囊从肝床的游离等核心手术步骤的执行效率并不低，论文形容为“在早期机器人系统中罕见”。
但手术中多次出现超过3分钟的长暂停，原因都是虚拟RCM的漂移：动物呼吸引起腹壁起伏，加上机器人底座的微小位移，虚拟支点不断偏离，漂移过大就必须暂停、重新校准整套系统。
在第一台手术中，第二台人形机器人曾短暂接管持镜和组织牵引，实现了两台机器人在手术台旁的实时协作；但两台手术的大部分床旁辅助仍由人类医生完成。第二台手术出现了轻度胆汁泄漏和肝床出血，用吸引器和电凝处理后解决，未造成严重并发症。
那么，为什么还要费力做这件事？
答案在手术室之外。在全球，约有67%的人口无法获得基本的外科手术服务，许多低收入国家每10万人中受过训练的外科医生不到1名。即使在美国，预计到 2036年也将面临超过1万名外科专科医生的短缺。
而医疗专用的达芬奇系统解决不了这个问题。这台售价上千万元人民币、重达 800多公斤、需要专门改造手术室和大型团队才能安装调试的设备，不可能被部署到偏远社区或野战医院。而一台27公斤的人形机器人，至少在物理条件上不存在这个障碍。
论文的另一位通讯作者、UCSD电气与计算机工程教授Michael Yip说：“很多社区苦于手术团队人手不足，患者得不到治疗。我们的目标是未来的手术室，人形机器人和人类医生并肩工作，作为一个团队向需要手术的人提供服务。”
更重要的是，人形机器人是通用平台。不做手术的时候，它还能搬运器械、清理手术室、在病房执行其他辅助任务。这种多功能性对资源紧张的医疗环境尤其有用。
但从“在猪身上做成了”到“在人身上能用”之间的距离，还相当遥远。论文中列出了一大批还有待改进的不足：如运动范围受限、力输出不足、校准漂移频繁、无菌方案未解决，而且全程需要人类远程操控，自主性为零。参与手术的外科医生在反馈中也直言，在技术可行性和临床可用性之间存在明显的鸿沟。
这些问题和二十多年前专用手术机器人初登场时面临的困境非常类似。Shanglei Liu也提到了一个参照：1997年第一台机器人腹腔镜胆囊切除术花了好几个小时，今天同样的手术30分钟就能完成。不过，达芬奇在解决了速度和精度之后，它816公斤的体重和上千万元的售价，至今仍让全世界三分之二需要手术的人用不上它。
参考资料：