□文/盧川

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美國(guó)醫(yī)療與保健機(jī)器人技術(shù)路線圖（上）

□文/盧川

在過(guò)去的幾年中，使用機(jī)器人進(jìn)行醫(yī)療活動(dòng)的比例按每年40%多的速度增加。由于社會(huì)老齡化，預(yù)計(jì)在未來(lái)十五年，外科手術(shù)的數(shù)量會(huì)增長(zhǎng)一倍。2013年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)頒布了一個(gè)為期十五年的制造業(yè)轉(zhuǎn)型計(jì)劃，其中醫(yī)療保障機(jī)器人發(fā)展規(guī)劃作為其重要的一部分。了解美國(guó)醫(yī)療與保障機(jī)器人技術(shù)發(fā)展方向，有利于我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的迅速發(fā)展。

如今，醫(yī)療機(jī)器人已經(jīng)在包括前列腺手術(shù)及心臟手術(shù)等外科手術(shù)領(lǐng)域獲得了巨大的成功。同時(shí)，機(jī)器人還被用于外傷康復(fù)與智能義肢來(lái)幫助人們重獲喪失的身體機(jī)能。遠(yuǎn)程醫(yī)療與輔助機(jī)器人醫(yī)療技術(shù)的出現(xiàn)讓為某些難以進(jìn)入的特殊區(qū)域提供醫(yī)療保障成為可能，如缺乏專業(yè)人員的偏遠(yuǎn)地區(qū)、災(zāi)害區(qū)域以及戰(zhàn)區(qū)。社會(huì)輔助機(jī)器人正在向可負(fù)擔(dān)的診所和入戶診療技術(shù)發(fā)展，它們?cè)诩膊☆A(yù)防、康復(fù)以及促進(jìn)重新融入社會(huì)的認(rèn)知以及身體體征監(jiān)測(cè)、輔導(dǎo)以及激勵(lì)實(shí)踐中都發(fā)揮作用。隨著人口老齡化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，機(jī)器人技術(shù)還朝著促進(jìn)原居安老（例如在家里）、推遲老年癡呆癥的發(fā)生，通過(guò)陪護(hù)緩解老年人孤獨(dú)的方向上進(jìn)一步發(fā)展。此外,機(jī)器人傳感以及活動(dòng)建模方法可能在改善早期篩查、持續(xù)評(píng)估和個(gè)性化、有效的、可負(fù)擔(dān)的干預(yù)及治療中起到關(guān)鍵作用。上述所有的機(jī)器人發(fā)展方向，都會(huì)在維持及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、增加勞動(dòng)力數(shù)量以及逐漸增加殘疾人重返工作崗位等方面發(fā)揮作用。今天，美國(guó)在特殊人群和老年人生活質(zhì)量維持方面所需的機(jī)器人輔助手術(shù)與社會(huì)輔助機(jī)器人技術(shù)具有領(lǐng)先地位，但其他國(guó)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到此類技術(shù)的需求和前景，開始在相關(guān)領(lǐng)域迅速發(fā)展。

為了能全面評(píng)估機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療與保健領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，由外科手術(shù)機(jī)器人、修復(fù)、移植和康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的專家及行業(yè)代表參與的研討會(huì)于2012年下半年在美國(guó)召開。所有的與會(huì)者都從專業(yè)角度出發(fā)，貢獻(xiàn)了自己的意見與見解，并在許多共同利益和挑戰(zhàn)上達(dá)成了共識(shí)，最終完成了路線圖修訂。

盧川 特約撰稿人中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士

機(jī)器人系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)與健康領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，機(jī)器人已經(jīng)是制造業(yè)和其它重復(fù)勞動(dòng)中的標(biāo)準(zhǔn)配置。工業(yè)機(jī)器人最初針對(duì)的是既臟又枯燥并且危險(xiǎn)的任務(wù)，而醫(yī)療和健康領(lǐng)域的機(jī)器人卻是為完全不同的環(huán)境與工作設(shè)計(jì)的：比如外科手術(shù)室、康復(fù)中心以及家庭居室。這些環(huán)境通常是非結(jié)構(gòu)化的，并且機(jī)器人經(jīng)常需要直接與人類用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)交流。

機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)開始對(duì)醫(yī)療保健領(lǐng)域產(chǎn)生影響。遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)，例如已經(jīng)用于實(shí)施外科手術(shù)的達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)，能夠縮短患者的恢復(fù)時(shí)間且能保證更加可靠的醫(yī)療程序執(zhí)行結(jié)果。機(jī)器人作為電腦集成式外科系統(tǒng)的一環(huán)，能夠進(jìn)行更加精確、更有針對(duì)性的醫(yī)療干預(yù)。有一種猜測(cè)認(rèn)為，手術(shù)與介入性放射學(xué)在計(jì)算機(jī)與機(jī)器人整合的過(guò)程中所完成的轉(zhuǎn)型，將會(huì)如同幾十年前自動(dòng)化技術(shù)在制造業(yè)中所發(fā)生的革命性改革。觸覺式系統(tǒng)，作為機(jī)器人技術(shù)的一種，已被應(yīng)用于醫(yī)務(wù)人員的模擬培訓(xùn)。類似MIT-Manus的機(jī)器人系統(tǒng)也成功地進(jìn)行了物理與職業(yè)治療。康復(fù)機(jī)器人可以進(jìn)行強(qiáng)度更大的治療，以不斷適應(yīng)患者需要。尤其是在輔助導(dǎo)致美國(guó)人永久殘疾主要原因—中風(fēng)的康復(fù)上，康復(fù)機(jī)器人的使用已被證明比傳統(tǒng)方法更加有效。機(jī)器人在療養(yǎng)及康復(fù)領(lǐng)域上具有更大的潛力。實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器人系統(tǒng)能提供治療監(jiān)督、指導(dǎo)和激勵(lì)服務(wù)，減少甚至擺脫治療師對(duì)人體健康的監(jiān)督，無(wú)論患者是在醫(yī)院還是在家中進(jìn)行慢性病的長(zhǎng)期治療。這類系統(tǒng)不僅能夠?qū)π袆?dòng)障礙進(jìn)行治療（如由中風(fēng)、創(chuàng)傷性腦損傷及其它損傷引起的行動(dòng)障礙），也能夠作為社會(huì)與行為障礙的干預(yù)與治療工具，包括自閉癥類群、多動(dòng)癥以及其它目前相當(dāng)普遍且數(shù)量不斷上升的兒童行為障礙。

機(jī)器人技術(shù)也將在人類健康領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究中發(fā)揮著作用。創(chuàng)建一個(gè)模擬生物的機(jī)器人系統(tǒng)是測(cè)試人類身體及腦部功能的重要途徑。另外，機(jī)器人能以前所未有的精確度獲取生物系統(tǒng)數(shù)據(jù)，讓我們能夠?qū)ι眢w與社會(huì)行為進(jìn)行定量的理解。最后，社會(huì)交互機(jī)器人能被用于人類行為研究及行為障礙的診斷輔助中。

機(jī)器人系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)與健康領(lǐng)域具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用范圍，比如應(yīng)用環(huán)境（從手術(shù)臺(tái)到家居室）、用戶數(shù)量（從小孩到老人，從患者到健康用戶以及在身體或認(rèn)知上有障礙的人）以及交互模式（從常規(guī)手術(shù)到無(wú)需人員參與的康復(fù)訓(xùn)練）。機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步在發(fā)明新的疾病與障礙的治療方法、提高護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)、拓寬服務(wù)途徑以及優(yōu)化患者的健康成果方面有著顯著的潛能。

機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的社會(huì)動(dòng)因

機(jī)器人技術(shù)能為更加先進(jìn)的醫(yī)療保健提供許多社會(huì)動(dòng)因。廣義上來(lái)說(shuō)，這些動(dòng)因主要?dú)w為兩類：拓寬獲取醫(yī)療保健的渠道以及優(yōu)化疾病的預(yù)防和患者恢復(fù)的效果。

圖1　路線圖制定過(guò)程：研究與開發(fā)由關(guān)鍵功能所產(chǎn)生的技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)而去影響保健和醫(yī)療應(yīng)用范疇

如果能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)，那么現(xiàn)有的醫(yī)療程序能得到改善，而新的醫(yī)療程序也能得以發(fā)展，勞動(dòng)生產(chǎn)率就會(huì)因?yàn)閯?chuàng)傷的減輕以及副作用的減少導(dǎo)致的康復(fù)時(shí)間的縮短而提高。這些革命性的嘗試旨在發(fā)展新的醫(yī)療程序和裝置，例如微尺度干預(yù)和智能假肢，從而使風(fēng)險(xiǎn)收益率和成本收益率大大降低。更有效的醫(yī)師培訓(xùn)方法也會(huì)減少醫(yī)療事故的發(fā)生?？陀^的問(wèn)責(zé)以及認(rèn)證/評(píng)估方法也有助于達(dá)成這一目標(biāo)。在理想情況下，所有這些改進(jìn)都會(huì)通過(guò)降低對(duì)家庭、護(hù)理人員和雇主的影響而降低社會(huì)成本。更為直接的結(jié)果是，醫(yī)療保健費(fèi)用會(huì)由于質(zhì)量的改善、并發(fā)癥的減少、住院時(shí)間的縮短和治療效率的提高而降低。

經(jīng)濟(jì)與人口因素也必須考慮在內(nèi)。在美國(guó)，有超過(guò)15%的人口沒有保險(xiǎn)（2007年人口普查：美國(guó)收入、貧窮和健康保險(xiǎn)覆蓋率）；還有許多人也是保險(xiǎn)不足。上述情況會(huì)使個(gè)人無(wú)法獲取必要的醫(yī)療服務(wù)，某些情況下會(huì)導(dǎo)致身體功能喪失甚至喪命，也會(huì)阻礙病人獲得預(yù)防治療和早期治療，導(dǎo)致并發(fā)癥的發(fā)生。是否能獲得醫(yī)療服務(wù)最主要看支付能力。物理交互治療機(jī)器人的途徑承諾降低臨床康復(fù)護(hù)理費(fèi)用，且是美國(guó)退伍軍人管理局正在進(jìn)行的縮減成本效益研究的重點(diǎn)。社會(huì)輔助機(jī)器人領(lǐng)域方面，其發(fā)展方向?yàn)樘峁┛韶?fù)擔(dān)的入戶診療技術(shù)，為疾病預(yù)防和康復(fù)提供激勵(lì)和指導(dǎo)。在為老年人提供保健服務(wù)方面，機(jī)器人技術(shù)同樣具有很好的前景，比如促進(jìn)原居安老（例如在家里）、通過(guò)激發(fā)認(rèn)知和身體鍛煉來(lái)推遲老年癡呆癥的發(fā)生，以及提供陪伴來(lái)緩解老人的孤獨(dú)。

醫(yī)療保健服務(wù)的提供也與地理位置有關(guān)。當(dāng)造成人身安全事故的災(zāi)害來(lái)臨時(shí)，距離與非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境將會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)搶救和事故現(xiàn)場(chǎng)受傷人員的轉(zhuǎn)移造成障礙。這種情況在自然災(zāi)害(如地震、颶風(fēng))和人為災(zāi)難(如恐怖襲擊)中經(jīng)常發(fā)生。戰(zhàn)場(chǎng)上也會(huì)出現(xiàn)類似的問(wèn)題，為拯救人員的生命，損傷點(diǎn)護(hù)理是必要的。在某些環(huán)境下,如太空、水下、地下(礦業(yè))，本身就遠(yuǎn)離醫(yī)療人員。最后,農(nóng)村人口生活地帶，可能距離能提供專業(yè)的健康護(hù)理的醫(yī)療中心很遠(yuǎn)。遠(yuǎn)程醫(yī)療和輔助機(jī)器人可以為生活在人口稠密地區(qū)之外和災(zāi)難場(chǎng)地的人們提供醫(yī)療服務(wù)。

人口因素表明，我們?cè)絹?lái)越需要對(duì)醫(yī)療保健的使用條件和質(zhì)量進(jìn)行改善。人口研究顯示,在未來(lái)幾十年內(nèi)，美國(guó)人口將經(jīng)歷一個(gè)重大的人口老齡化時(shí)期。具體地說(shuō),到2030年,美國(guó)的老齡人口將會(huì)增加大約40%,日本超過(guò)65歲的老人人口數(shù)量將會(huì)翻倍,而歐洲的老年人數(shù)量將會(huì)增加50%。在各大洲，年齡高于80歲的老人數(shù)量將增加逾100%。醫(yī)學(xué)進(jìn)步使人的壽命延長(zhǎng)，同時(shí)出生率卻逐漸降低，最終就會(huì)導(dǎo)致社會(huì)的老齡化。這個(gè)人口統(tǒng)計(jì)學(xué)趨勢(shì)將對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、住房、繼續(xù)教育、醫(yī)療健康產(chǎn)生重大影響。

與人口老齡化相關(guān)的問(wèn)題是不斷增加的傷患和生理失調(diào)的病人。此外,在整個(gè)年齡跨度上，健康趨勢(shì)表明終身受糖尿病、自閉癥、肥胖和癌癥在內(nèi)的多種病癥困擾的病患數(shù)量將顯著增加。美國(guó)癌癥協(xié)會(huì)估計(jì)，2013年在美國(guó)有166萬(wàn)個(gè)癌癥病例(包括最常見皮膚癌)。此外,侵襲性癌癥的發(fā)病率也會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而顯著增加。

這些趨勢(shì)會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的個(gè)性化醫(yī)療需求。例如，目前美國(guó)每年新增中風(fēng)人數(shù)達(dá)到了80萬(wàn)，這個(gè)數(shù)字預(yù)計(jì)會(huì)在未來(lái)20年翻倍。此外，過(guò)去中風(fēng)患者的年齡在60歲或以上，而事實(shí)上40歲及以上的患者數(shù)量也在不斷增加。中風(fēng)患者必須進(jìn)行強(qiáng)化康復(fù)，恢復(fù)身體機(jī)能，減少永久性殘疾的可能。然而，不斷變化的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，由于物理治療師的缺乏，不久的將來(lái)在護(hù)理方面將會(huì)存在巨大缺口。

中風(fēng)是成年人運(yùn)動(dòng)障礙最常見的原因，而腦癱(CP)是兒童運(yùn)動(dòng)障礙的常見原因，中風(fēng)和腦癱都會(huì)導(dǎo)致終身殘疾。每年約10000名嬰兒和兒童被診斷為腦癱，而美國(guó)有超過(guò)76.4萬(wàn)名患者被診斷呈現(xiàn)腦癱癥狀。同時(shí)，具有包括自閉癥譜系障礙、注意力不集中、多動(dòng)癥和其他癥狀的神經(jīng)發(fā)育問(wèn)題及認(rèn)知障礙的人數(shù)不斷上升。僅自閉癥患率就在上世紀(jì)后25年里翻了兩番，在88名兒童中就有一名被確診（幾年前每150名中僅有一位被確診）。改善的結(jié)果源自早期篩查、診斷、透明的監(jiān)控和持續(xù)的健康評(píng)估，這些措施都將大大地節(jié)約治療成本，可以有效地進(jìn)行干預(yù)和治療。上述這些因素也將彌補(bǔ)衛(wèi)生保健隊(duì)伍規(guī)模不斷縮小的趨勢(shì)，同時(shí)價(jià)格低廉以及可利用的技術(shù)將促進(jìn)健康的、個(gè)性化的和基于家庭的醫(yī)療保健發(fā)展。

因此，提高人們的終身獨(dú)立能力成了關(guān)鍵的社會(huì)驅(qū)動(dòng)力，包括提高原居安老能力(也就是讓老年人在家里待的時(shí)間更長(zhǎng)、更快樂(lè)、更健康)；提高流動(dòng)性，減少各個(gè)年齡段人群的隔離和抑郁狀況（這反過(guò)來(lái)影響著生產(chǎn)力、健康成本和家人的幸福）；提高保健水平，使保健人群獲得更好服務(wù)，也有利于護(hù)理工作者提高獨(dú)立性。由于負(fù)擔(dān)不起家庭醫(yī)療保健費(fèi)用，護(hù)理工作者已經(jīng)從全職護(hù)工轉(zhuǎn)換成家庭成員。機(jī)器人技術(shù)可以提高安全性和監(jiān)控能力，避免受監(jiān)護(hù)人員錯(cuò)過(guò)服藥時(shí)間，保證服藥一致性，還能夠監(jiān)測(cè)摔倒、活動(dòng)缺乏和其他能力下降的跡象。

所有上述機(jī)器人技術(shù)的特點(diǎn)和性能，都有可能延長(zhǎng)勞動(dòng)時(shí)間和提高勞動(dòng)者的生產(chǎn)率，擴(kuò)大勞動(dòng)力規(guī)模。隨著可獲得的社會(huì)保障和退休資金的減少,人們工作時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)。日益增加的殘疾人也會(huì)加入到勞動(dòng)力大軍中(并促進(jìn)社會(huì)保障)，以平衡可用勞動(dòng)力規(guī)模減少的部分。

最終，根據(jù)美國(guó)人口數(shù)量和其老齡人口數(shù)據(jù)，在醫(yī)療保健的廣泛領(lǐng)域保持技術(shù)領(lǐng)先是一個(gè)關(guān)鍵的目標(biāo)。

機(jī)器人的新價(jià)值

外科手術(shù)及介入機(jī)器人

在首次報(bào)道機(jī)器人介入外科手術(shù)之后的二十年，手術(shù)機(jī)器人被廣泛用于手術(shù)室或作為介入裝備。在準(zhǔn)確性、可視化，以及運(yùn)用新的醫(yī)療程序方面，人們正逐漸認(rèn)識(shí)到外科手術(shù)機(jī)器人的潛力。

目前的外科手術(shù)機(jī)器人都直接受控于外科醫(yī)生。通常的應(yīng)用場(chǎng)景是進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，由外科醫(yī)生操縱輸入裝置，病人旁邊的機(jī)器人則按照輸入命令執(zhí)行動(dòng)作。相比傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)，機(jī)器人可以讓外科醫(yī)生提高操作的靈巧性，使其動(dòng)作從人類的正常尺度縮小到極小距離，同時(shí)提供操作員與儀表提示之間的直觀聯(lián)系。外科醫(yī)生可以切割、燒灼、縫合，其準(zhǔn)確性能夠不低于以前只在非常創(chuàng)開放式手術(shù)過(guò)程中才能達(dá)到的精度。一個(gè)完整的外科工作站包含機(jī)器設(shè)備和實(shí)時(shí)成像設(shè)備將手術(shù)過(guò)程可視化。新一代的外科工作站將提供各種各樣的計(jì)算機(jī)和物理增強(qiáng)功能，如解剖結(jié)構(gòu)周邊脆弱的“禁飛”區(qū)，無(wú)縫顯示器可以在外科醫(yī)生的視野內(nèi)顯示大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，用以識(shí)別手術(shù)動(dòng)作和病人狀態(tài)，也可以性能評(píng)估和預(yù)測(cè)康復(fù)效果。

如果我們獲得了正確的信息，許多醫(yī)療程序都可以提前進(jìn)行計(jì)劃，并且以合理的、可預(yù)見的方式執(zhí)行醫(yī)療計(jì)劃。在此期間，醫(yī)療人員主要職責(zé)僅僅是監(jiān)督并控制機(jī)器人。通過(guò)類比工業(yè)制造系統(tǒng)，上述治療模型通常被稱為“外科CAD/CAM”（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造）。實(shí)際的例子包括矯形手術(shù)中為關(guān)節(jié)重建準(zhǔn)備的骨骼，以及在介入放射治療中將針頭植入目標(biāo)組織。在上述情況下，基于不同的醫(yī)療任務(wù)和所能獲得的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，“自動(dòng)化”水平可能會(huì)有所不同。例如，盡管機(jī)器人能很容易地將針頭植入病人體內(nèi)，但是目前更常見的情況是，機(jī)器人負(fù)責(zé)置入針導(dǎo)，而介入放射科醫(yī)生負(fù)責(zé)把針推入針頭導(dǎo)軌內(nèi)進(jìn)行植入。隨著成像技術(shù)、組織建模技術(shù)和針導(dǎo)向技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的醫(yī)療系統(tǒng)很可能變得更加高度集成化，能夠更加主動(dòng)地通過(guò)導(dǎo)軌進(jìn)行針頭或醫(yī)療設(shè)備的植入。上述目標(biāo)是不能僅僅通過(guò)針頭導(dǎo)軌使用的自動(dòng)化而實(shí)現(xiàn)。在這些情況下，人們將確定目標(biāo)、計(jì)劃或批準(zhǔn)擬定路徑，同時(shí)監(jiān)督機(jī)器人將針頭植入目標(biāo)的過(guò)程。

機(jī)器人用于取代減弱或已喪失的功能

矯正設(shè)備和假肢通過(guò)協(xié)助的肢體運(yùn)動(dòng)與控制，來(lái)替代掉已經(jīng)喪失功能的或殘疾的肢體，以此來(lái)增加患者的行動(dòng)能力以及舒適度。這些設(shè)備逐漸將機(jī)器人技術(shù)與神經(jīng)學(xué)整合起來(lái)。矯形器可以保護(hù)、支持或改善身體不同部位（如腳踝、腳掌、膝蓋以及脊柱）的功能。與機(jī)器設(shè)備不同，傳統(tǒng)的矯形器是由專業(yè)人員根據(jù)病人的成長(zhǎng)以及其能力的變化進(jìn)行調(diào)整，其自身不能自動(dòng)改變輔助的強(qiáng)度和方式。機(jī)器人矯形器通常設(shè)計(jì)成外骨骼的形式，包住了有問(wèn)題的身體部位，使患者的肢體能夠進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能提供運(yùn)動(dòng)所需的支持。現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)器人外骨骼都處于實(shí)驗(yàn)室階段，專注于軍事應(yīng)用(例如使士兵在奔跑時(shí)背上可以承載很重的負(fù)荷)和診所的康復(fù)治療。這些系統(tǒng)還不便宜，使用起來(lái)也并不可靠，還無(wú)法用于臨床治療。

假肢是一種通過(guò)人工擴(kuò)展, 把機(jī)械設(shè)備同人的肌肉、骨骼和神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行融合，取代部分身體功能的器械（該部位通常是受傷時(shí)失去了原有功能或是具有先天性功能缺陷）。目前商業(yè)化的假肢設(shè)備能力非常有限(通常只有開/關(guān)按鈕)，因?yàn)樗鼈兯罁?jù)的信號(hào)只是單純的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與肌電圖（EMG，記錄身體未受損部位的肌肉的電流活動(dòng)）。機(jī)器人假肢設(shè)備旨在完全地模仿已經(jīng)喪失的肢體或身體的其他部位，通過(guò)復(fù)制具有很多關(guān)節(jié)與肢體的人體器官（如人的手掌，具有22個(gè)自由度），或通過(guò)神經(jīng)集成的無(wú)縫復(fù)制，提供直觀的肢體控制以及給穿戴者觸摸反饋。過(guò)去的幾年中，假肢技術(shù)與神經(jīng)科學(xué)得到巨大發(fā)展。下一步的工作是對(duì)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步研究，以改善其功能同時(shí)降低成本。

機(jī)器人輔助康復(fù)與復(fù)健

受到神經(jīng)肌肉相關(guān)損傷及疾病折磨的患者，比如具有中風(fēng)后遺癥的病人，將會(huì)享受到神經(jīng)康復(fù)所帶來(lái)的益處。感覺驅(qū)動(dòng)療法讓治療師或機(jī)器人輔助患者進(jìn)行上下肢運(yùn)動(dòng)，讓患者重新學(xué)會(huì)如何進(jìn)行動(dòng)作。這項(xiàng)工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，患者需要繳納昂貴的醫(yī)療保健費(fèi)用來(lái)獲得顯著的成效。除了純?nèi)斯し?wù)外，機(jī)器人將是一個(gè)可行的選擇。

用機(jī)器人來(lái)幫助神經(jīng)損傷患者，例如腦中風(fēng)患者來(lái)控制上下肢活動(dòng)的試驗(yàn)已獲得顯著的臨床治療效果。這些康復(fù)機(jī)器人可提供多種不同的機(jī)械動(dòng)作模式，根據(jù)患者的實(shí)時(shí)反應(yīng)來(lái)進(jìn)行輔助、支撐以及伸展等動(dòng)作。舉個(gè)例子，由麻省理工大學(xué)研發(fā)并且已可投入商業(yè)使用的前肢康復(fù)機(jī)器人能夠提高急性與慢性中風(fēng)患者康復(fù)效果。同時(shí)，感覺驅(qū)動(dòng)療法還有一個(gè)激動(dòng)人心的作用，就是它能提升神經(jīng)學(xué)家對(duì)人類大腦功能的認(rèn)知?；诨颊呖祻?fù)過(guò)程的知識(shí)，以及腦部特定區(qū)域損傷患者表現(xiàn)出的量化反應(yīng)，機(jī)器人能做出史無(wú)前例的刺激-反應(yīng)記錄。為了對(duì)機(jī)械康復(fù)療法進(jìn)行優(yōu)化，機(jī)器人及實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)一步改進(jìn)以闡明外部機(jī)械力與神經(jīng)可塑性之間的關(guān)系。對(duì)此關(guān)系的認(rèn)識(shí)能使神經(jīng)學(xué)家及神經(jīng)病學(xué)家洞悉大腦結(jié)構(gòu)，為這些領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究作出貢獻(xiàn)。

圖2　機(jī)器人介入治療具有以下幾項(xiàng)關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)

除了在康復(fù)過(guò)程中為患者提供機(jī)械性或物理性輔助，機(jī)器人還能夠提供個(gè)性化服務(wù)和訓(xùn)練。以服務(wù)社會(huì)為導(dǎo)向的機(jī)器人學(xué)著重利用堅(jiān)固耐用的傳感器、攝像頭以及其他方式觀測(cè)使用者行為的方式獲取傳感數(shù)據(jù)，為機(jī)器人提供使用者的數(shù)據(jù)，從而使機(jī)器人能夠合理地激勵(lì)、激發(fā)患者進(jìn)行可持續(xù)的恢復(fù)訓(xùn)練。一些早期的工程實(shí)踐已展現(xiàn)了社會(huì)輔助性機(jī)器人在中風(fēng)康復(fù)領(lǐng)域的能力，現(xiàn)在正進(jìn)一步擴(kuò)展到其他神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域，包括退伍軍人經(jīng)常遭遇的腦損傷以及其它重大交通事故造成的損傷。不考慮長(zhǎng)期康復(fù)的因素，這種機(jī)器人參與的治療能對(duì)短期康復(fù)效果產(chǎn)生影響，而醫(yī)生通常推薦高強(qiáng)度的療程以達(dá)到短期康復(fù)效果。舉例來(lái)說(shuō)，早期的醫(yī)務(wù)人員曾在心臟病房推廣一項(xiàng)療法，即鼓勵(lì)病人一小時(shí)進(jìn)行十次呼吸肺活量測(cè)量訓(xùn)練來(lái)防止感染，加快康復(fù)。這樣的療法既可以增加衛(wèi)生保健工作的效果，又可以為更多患者提供服務(wù)，同時(shí)還能為病人帶來(lái)私人化、定制化服務(wù)。

行為治療

康復(fù)、復(fù)健以及終身性的認(rèn)知失調(diào)、社會(huì)失調(diào)、身體失調(diào)癥狀需要不間斷的行為治療。這些治療包括物理的以及認(rèn)知訓(xùn)練，并且這些訓(xùn)練需要以合理的頻率和準(zhǔn)確度進(jìn)行。在所有情況中，訓(xùn)練的強(qiáng)度以及患者的自我效能是康復(fù)效果以及將殘疾情況減到最輕的關(guān)鍵。然而，根據(jù)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，需要接受行為治療的人群正在快速增長(zhǎng)(比如孤獨(dú)癥，ADHD，中風(fēng)，以及創(chuàng)傷性腦損傷)?，F(xiàn)在已經(jīng)缺乏的為行為治療提供監(jiān)管及指導(dǎo)的可行的健康服務(wù)，會(huì)隨現(xiàn)在的趨勢(shì)將進(jìn)一步減少。

社會(huì)輔助型機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中相對(duì)較新的領(lǐng)域，集中研發(fā)相關(guān)類型的機(jī)器人以滿足不斷增長(zhǎng)的需求。研究員為社會(huì)輔助型機(jī)器人開發(fā)程序以通過(guò)社會(huì)溝通而非物理作用來(lái)幫助用戶。機(jī)器人的外形是社會(huì)輔助型機(jī)器人輔助功效的核心，因?yàn)樗鼭M足了人類傾向于參與逼真的（但并非一定要形似人或者動(dòng)物）社會(huì)行為的這種與生俱來(lái)的特性。人們很樂(lè)意將意愿、人格、情感賦予甚至是最簡(jiǎn)單的機(jī)器人，從樂(lè)高玩具到iRobot 室內(nèi)吸塵機(jī)器人都是如此。社會(huì)輔助型機(jī)器人利用人類的這種特性形成社會(huì)互動(dòng)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控、刺激、鼓勵(lì)、維持用戶活動(dòng)力從而提高人們的活力。因此，社會(huì)輔助型機(jī)器人能夠提高使用者的生活質(zhì)量，包括老人、認(rèn)知障礙患者、中風(fēng)后康復(fù)中的患者、患有其他神經(jīng)運(yùn)動(dòng)功能殘疾人以及具有社會(huì)發(fā)展障礙的兒童，比如孤獨(dú)癥患兒。這樣，機(jī)器人能提高多種人群的能力，而并不僅限于提高行為能力。同時(shí)，機(jī)器人能夠通過(guò)擁抱以及增強(qiáng)人與機(jī)器人之間的情感聯(lián)系來(lái)提高用戶的社會(huì)交流能力。

社會(huì)輔助型機(jī)器人的人機(jī)互動(dòng)是工程、健康科學(xué)、心理學(xué)、社會(huì)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)的交叉領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)新興的研究方向。一個(gè)高效的社會(huì)輔助型機(jī)器人必須理解并與其周圍的環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，展現(xiàn)出其社會(huì)行為，將注意力以及交流重心集中在使用者身上，保持與使用者的聯(lián)系互動(dòng)，最后取得特定的輔助性成果。機(jī)器人能夠通過(guò)社會(huì)溝通而非物理溝通完成這一切，其過(guò)程安全、道德，能高效地為脆弱的使用者帶來(lái)幫助。社會(huì)輔助型機(jī)器人還可能成為兒童、長(zhǎng)者、中風(fēng)患者及其他需要個(gè)人化服務(wù)的特殊需要人群的治療工具。

特殊需要人群的個(gè)性化護(hù)理

具有身體機(jī)能障礙、社會(huì)障礙或認(rèn)知障礙的特殊需要人群數(shù)量正逐步增長(zhǎng)。這些患者的病情可能是逐漸顯現(xiàn)的，可能于發(fā)病初期就開始顯現(xiàn)，可能與年齡有關(guān)，其他的則可能發(fā)生在任意年齡段，這就體現(xiàn)了不斷增長(zhǎng)的個(gè)性化服務(wù)的需求。一些普遍的殘疾是先天性的（自出生開始），如腦性麻痹，自閉癥譜系障礙，而另一些可能發(fā)生在一個(gè)人的任意年齡階段（創(chuàng)傷性腦損傷、中風(fēng)），還有一些發(fā)生在中老年時(shí)期，同時(shí)會(huì)隨著生命延長(zhǎng)而持續(xù)更久（帕金森氏癥、老年癡呆癥和阿爾茨海默氏?。?。在上述所有的情況下，這些病痛將伴隨患者終身，需要長(zhǎng)期的認(rèn)知性或物理性支持，需要極大的人力、物力和財(cái)力。

物理助行器，包括針對(duì)視障患者的輔助設(shè)備，到肢體傷殘人士使用的工具，從高端智能輪椅，到使用簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的手杖，都能夠提高患者接觸物品及服務(wù)的能力，減少用戶孤立和抑郁的可能性，也降低了管理式醫(yī)療的需求。用戶可根據(jù)自己的需要自主調(diào)節(jié)機(jī)器人技術(shù)所提供的行動(dòng)輔助功能，可以選擇進(jìn)行控制的程度，這對(duì)殘障人士來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。智能輪椅、引導(dǎo)手杖和交互式助行器只是幾個(gè)正在被開發(fā)的領(lǐng)域的例證。隨著老年人口的快速增長(zhǎng)，對(duì)能使有身體局限性和殘疾的人們能在自己家中繼續(xù)獨(dú)立地生活的設(shè)備需求將會(huì)極快地增長(zhǎng)。包括戰(zhàn)爭(zhēng)的退伍軍人在內(nèi)的具有身體殘疾的人群，其數(shù)量雖然不多，但仍在逐步增長(zhǎng)。他們也反向促進(jìn)上述設(shè)備需求的增長(zhǎng)。促進(jìn)獨(dú)立性的復(fù)雜系統(tǒng)，比如那些幫助嚴(yán)重殘疾人士進(jìn)行操縱和移動(dòng)的機(jī)器，以及那些幫助使用者完成如個(gè)人洗漱或上下床之類復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器，仍處于發(fā)展的早期階段，但其正呈現(xiàn)出快速進(jìn)展的勢(shì)頭。與此同時(shí)，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究開始從移動(dòng)推進(jìn)處理平臺(tái)的研究，轉(zhuǎn)向了機(jī)器人取放家居用品，開門等促進(jìn)用戶能獨(dú)立在家生活能力的功能性研究。把用戶轉(zhuǎn)移到管理式醫(yī)療設(shè)施需求的延遲顯著降低了對(duì)個(gè)人、家庭、醫(yī)療服務(wù)提供者的成本和負(fù)擔(dān)，也大大地減小了用戶孤獨(dú)、抑郁以及壽命縮短的可能性。

除了物理或機(jī)械輔助，社會(huì)輔助性機(jī)器人（在上一節(jié)有所討論）為有特殊需要的人群提供了個(gè)性化的監(jiān)測(cè)、陪伴、認(rèn)知驅(qū)動(dòng)和能夠促進(jìn)終身健康的體育鍛煉，使他們受益匪淺。

健康促進(jìn)

有效地預(yù)防以及改善病人的康復(fù)結(jié)果是醫(yī)療保健最為基本的目標(biāo)。雖然健康促進(jìn)非常重要，但是其受到的關(guān)注極少，其擁有的資源遠(yuǎn)少于健康干預(yù)。研究經(jīng)費(fèi)，除了在特定的領(lǐng)域（如癌癥、艾滋病）有疫苗研究，其重點(diǎn)支持方向?yàn)榇_定疾病的原因和治療，而不是疾病的預(yù)防。然而以預(yù)防為主的研究，卻能影響健康趨勢(shì)以及相關(guān)的社會(huì)成本。

機(jī)器人技術(shù)正在被開發(fā)用來(lái)解決健康促進(jìn)問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，無(wú)論是青年還是老年，健全還是殘疾，業(yè)余運(yùn)動(dòng)員還是專業(yè)運(yùn)動(dòng)員，機(jī)器人系統(tǒng)都能通過(guò)社會(huì)或物理交互作用提供個(gè)性化的指導(dǎo)和鍛煉，其市場(chǎng)具有巨大的應(yīng)用潛力?？蓹z測(cè)生理反應(yīng)的耐用設(shè)備，可以同以電腦為基礎(chǔ)的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)，對(duì)于促進(jìn)個(gè)性化健康方案的制定也具有巨大的潛能，同時(shí)還可以促進(jìn)健康紊亂的早期檢測(cè)和連續(xù)評(píng)估。在這種背景下，機(jī)器人技術(shù)將會(huì)提供與現(xiàn)有系統(tǒng)（例如筆記本、臺(tái)式電腦、耐用設(shè)備及家用傳感器）相互協(xié)作的技術(shù)，以便平衡跨領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)發(fā)展出可改善生活質(zhì)量的可用技術(shù)。

路線圖規(guī)劃

物理層面的人機(jī)互動(dòng)與接口

幾乎所有的醫(yī)學(xué)分支，從癌癥切除手術(shù)到中風(fēng)后的物理療法，都涉及臨床醫(yī)生和病人之間的交互。機(jī)器人可以以三種方式提升療效：提高臨床醫(yī)生和患者之間的物理交互；安全地幫助醫(yī)生練習(xí)臨床診斷及介入技巧；直接護(hù)理病人。所有的這些應(yīng)用都需要為人機(jī)之間的物理交互提供直觀的界面，并且需要傳感、感知及運(yùn)動(dòng)等機(jī)器人領(lǐng)域核心技術(shù)的進(jìn)步。我們需要大量的傳感與感知設(shè)備，包括用于記錄用戶的運(yùn)動(dòng)和力量以推斷用戶意圖，創(chuàng)建人體生物力學(xué)模型，估計(jì)機(jī)器人與用戶交互的力度?；?dòng)的性質(zhì)意味著，機(jī)器人還需要給人類操作者提供有用的反饋，無(wú)論那個(gè)人是醫(yī)生或者是病人。除了觸覺（力和觸覺線索），包括視覺、聽覺和其他感覺的系統(tǒng)也必須進(jìn)行研究。

在與機(jī)器人進(jìn)行物理交互的過(guò)程中，人類是閉環(huán)反饋系統(tǒng)中不可分割的一部分，同時(shí)與機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行著信息和能量的交互。因此，不能簡(jiǎn)單的把人類看作是系統(tǒng)的外部輸入。此外，循環(huán)通常通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)和視覺反饋來(lái)閉合，其均有誤差和延遲，可能導(dǎo)致人機(jī)系統(tǒng)潛在的不穩(wěn)定性。鑒于這些問(wèn)題，我們?nèi)绾伪ＷC人機(jī)之間交互的安全，直觀和有效？有一些方法可用來(lái)解決這些問(wèn)題：對(duì)人類的行為以及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模；在更多維度上感知人的物理行為；發(fā)展機(jī)器人的行為，確保無(wú)論用戶做出任何動(dòng)作，機(jī)器人都能有正確的反應(yīng)。在過(guò)去的二十年中，我們已經(jīng)在這些領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是仍然沒有現(xiàn)成的系統(tǒng)可以為用戶提供一個(gè)與機(jī)器人在任何醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行物理的互動(dòng)的理想體驗(yàn)。為此我們提出了五年、十年和十五年的目標(biāo)，著眼于解決當(dāng)前任務(wù)的不斷增加的復(fù)雜性和不確定性。

社交方面的人機(jī)互動(dòng)與接口

提供社交和認(rèn)知支持的機(jī)器人開始應(yīng)用于治療和康復(fù)之中。這些社交輔助機(jī)器人能夠激勵(lì)它們的用戶追求健康的行為，積極參與治療方案，并提供一個(gè)易于使用的界面。這些機(jī)器人可以在很大范圍內(nèi)識(shí)別并且顯示人類的交際信號(hào)，如語(yǔ)音、手勢(shì)和視覺交流，并建立適當(dāng)?shù)男袨榉磻?yīng)來(lái)提供有效和豐富的社交互動(dòng)。他們可以應(yīng)用復(fù)雜的模型來(lái)使對(duì)話更為具體，包括語(yǔ)言的和非語(yǔ)言的談話行為，同時(shí)解決人類交流中普遍存在的交流缺陷。

社交輔助機(jī)器人研究的挑戰(zhàn)包括建立精確捕捉人類微妙和復(fù)雜社會(huì)交流行為的模型。從人類專家抽取的樣本來(lái)看，這些模型使得機(jī)器人可以扮演如咨詢師、治療師、密友和護(hù)理人員等角色，并采用不同的策略，如表示權(quán)威、同情或鼓勵(lì)競(jìng)爭(zhēng)等，都對(duì)其用戶實(shí)現(xiàn)了理想的行為變化。機(jī)器人也必須適應(yīng)復(fù)雜的、在日常社交交流中很典型的參與性結(jié)構(gòu)，如團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練和治療、理解參與者的角色、跟隨議程的變化、對(duì)演講者做出適當(dāng)?shù)幕貞?yīng)、對(duì)旁觀者致辭等。

關(guān)于醫(yī)療保健的研究目標(biāo)是在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)建立和維持與人類的關(guān)系。機(jī)器人需要的不僅僅是短期的交互能力，而是在數(shù)周、數(shù)月內(nèi)維持交際關(guān)系，它們的行為需要適應(yīng)用戶的健康狀況，并且它和用戶間建立的人際關(guān)系中應(yīng)用不同的行為策略。

有效的社交人際交互與其接口的核心能力研究必須遵循以人為本的設(shè)計(jì)進(jìn)程，并對(duì)利益相關(guān)者進(jìn)行嚴(yán)格的評(píng)估。在這一進(jìn)程中的用戶調(diào)查，可能會(huì)包括早期設(shè)計(jì)過(guò)程中有針對(duì)性的健康人群，也會(huì)包括由此形成的設(shè)計(jì)迭代評(píng)估，并且延伸到病人、醫(yī)生、家庭、治療師和其他社會(huì)成員。在該領(lǐng)域中，研究和發(fā)展的關(guān)鍵性方法是找到合適的措施成功地實(shí)現(xiàn)自然交流，使環(huán)境與健康應(yīng)用的聯(lián)系真實(shí)有效，并研發(fā)出對(duì)輸入到機(jī)器人系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)量測(cè)信息進(jìn)行在線評(píng)估和學(xué)習(xí)的方法。

以機(jī)器人為媒介的健康溝通

遙控機(jī)器人參與緊急手術(shù)處理、術(shù)后護(hù)理以及慢性疾病的長(zhǎng)期護(hù)理有著重大影響，能夠使患者的醫(yī)生、醫(yī)療過(guò)程中探望病人的家人與朋友在手術(shù)前、中、后以及長(zhǎng)期的恢復(fù)和護(hù)理方案中互相協(xié)助。研究人員已經(jīng)主動(dòng)地研究使機(jī)器人作為媒介用于照顧家庭老人，使得不斷減少的醫(yī)護(hù)人員能夠應(yīng)付日益增長(zhǎng)的客戶數(shù)量。以機(jī)器人為媒介的健康溝通能顯著降低醫(yī)護(hù)費(fèi)用并且能增加病人接觸到最好醫(yī)療服務(wù)的可能性，同時(shí)使得專家能遠(yuǎn)程進(jìn)行手術(shù)或者進(jìn)行家庭護(hù)理。

啟用低成本和高效率的機(jī)器人媒介健康溝通，需要機(jī)器人研究組織解決很多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。現(xiàn)在的遠(yuǎn)程再現(xiàn)機(jī)器人（如Intouch、VGo），僅僅提供視覺和語(yǔ)音通信。我們需要機(jī)器人具有操作功能，進(jìn)行物理交互，如診斷、治療，甚至安慰病人。因此，在人類環(huán)境中，任何機(jī)器人自動(dòng)操作的進(jìn)步（比如導(dǎo)航和靈巧的操控）也會(huì)影響到遠(yuǎn)程機(jī)器人。機(jī)器人的遙操作業(yè)和遠(yuǎn)程再現(xiàn)是下一步機(jī)器人研究的主要挑戰(zhàn)。

遠(yuǎn)程顧問(wèn)或者遠(yuǎn)程協(xié)作的體現(xiàn)，與通過(guò)筆記本連接的視頻會(huì)議不同。其通過(guò)允許他人瀏覽環(huán)境以獲取更多的信息，甚至提供物理的評(píng)估，提高了遠(yuǎn)程臨床的有效性。通過(guò)比較機(jī)器人遠(yuǎn)程視頻，在線實(shí)現(xiàn)的健康交流和傳統(tǒng)的面對(duì)面訪問(wèn)，一個(gè)重要的懸而未決的問(wèn)題是人與人之間交互媒介的效率問(wèn)題。為遠(yuǎn)程用戶操控機(jī)器人設(shè)計(jì)一個(gè)高效的并且直觀的界面是另一個(gè)尚未解決的挑戰(zhàn)。機(jī)器人需要與終端用戶交互，是一個(gè)由人類操控、自主操控或者是兩者的某種組合，而提供給用戶的接口可能會(huì)隨著不同的場(chǎng)景而變化。

（未完，后續(xù)內(nèi)容請(qǐng)看下期）