The Innovation！澳大聯合港中大多尺度協作集成式手術機器人藍圖

外科手術的終極追求是“精準微創、安全高效”。隨著智能醫療與機器人技術的深度融合，手術機器人在微創手術中展現了精準治療等優勢，但隨著醫生對于更深層次靶向治療以及術中多任務并行的要求，單一結構的手術機器人已難以應對復雜多任務場景。

針對這一挑戰，澳門大學徐青松教授團隊聯合香港中文大學張立教授團隊在頂級綜合性、Cell Press合作期刊 《The Innovation》 上發表了重磅綜述文章，系統勾勒了“協作集成式手術機器人”的未來藍圖，論文第一作者為新加坡國立大學/澳門大學李政陽博士。協作集成式機器人通過多尺度異構機器人協同操作，可同步執行多功能外科任務。本文聚焦此類機器人的技術挑戰與發展路徑，以推動其在高水平精準醫療中的應用。該前沿成果不僅系統梳理了這一新興領域的技術突破與臨床應用，更為外科治療的革新提供了全新思路。

01.

首次定義“協作式集成手術機器人” 全新子類

這篇論文的開創性在于，它首次系統性地提出了“協作式集成手術機器人”這一學術概念，并將其定義為外科機器人的一個全新子類。

它不再是單一工具的延伸，而是一個多機器人系統。這些機器人可以是同構的（像多只相同的機械臂），也可以是異構構造、多尺度的子機器人系統進行協作（例如，子系統一負責切割，子系統爾負責成像，子系統三負責遞藥）。它們在手術過程中各司其職，又協同動作，共同完成高復雜度的多目標任務。圖1概述了協作集成式手術機器人的醫學應用部位以及典型的手術機器人系統，其在心血管、消化道、腹腔鏡等微創手術領域均得到了廣泛應用，同時其發展從1998年的Intuitive公司達芬奇第一代機器人系統問世以來便展現除了巨大潛力，近年來在美國FDA、中國NMPA均有拿證的協作集成式手術機器人出現，并且其特點向多尺度、多功能、多驅動方式進行發展和演進。

圖1. 協作式集成手術機器人的代表性治療應用與發展歷程

論文將協作集成式手術機器人的特點和優勢概括為四點：

高性能、多功能并重：可整合多尺度、多功能的末端手術工具，同時執行多樣手術任務。

卓越的交互式控制：提供高性能人機交互，支持遠程多任務操作。

準確定位與可視化：通過外部追蹤設備，讓醫生實時掌握器械位置。

混合驅動功能：在同一系統內使用多種驅動方式（如磁驅動+電機驅動），輕松觸及傳統器械難以到達的身體區域。

02.

協作集成式手術機器人的關鍵技術

系統拆解了協作式集成手術機器人的四大核心技術(圖2)，這也是其實現“精準微創”的關鍵支撐：

1.多機器人協作系統集成：多自由度機器臂以及其支撐結構可作為構建協作集成式手術機器人系統的基礎，這一設計被大量成功的商業手術機器人產品所采用，如達芬奇手術機器人系統等，這些產品已經成功實現了這一多臂結構的穩定運行。在考慮協作集成式手術機器人設計過程時，選擇一種驅動方式也至關重要。除了傳統的剛性手術機器人外，最近還出現了磁驅動、柔性驅動等多樣的新型驅動方式，以完成多用途、多目標的手術任務。

2. 多種功能末端執行器械：多自由度機械臂構成了協作集成式手術機器人的基礎框架，而其末端執行器則與專門的手術器械進行集成，能夠執行精確的手術操作。由于這些器械直接與患者的生物組織接觸，末端執行器械特性的改變還能提升協作集成式手術機器人的操作能力，因此對多功能機器人化器械的合理選擇以及提升其功能性能至關重要。

圖2.協作集成式手術機器人關鍵技術示意圖

3. 傳感器系統與智能控制：協作集成式手術機器人系統包含傳感器系統和追蹤裝置，這些裝置對于機器人閉環控制發揮著至關重要的作用，并能將機器人化器械在患者體內的手術位置信息進行術中處理。其特點是在有限的空間內實現多種操作動作。鑒于協作集成式手術機器人主要以完全或半自主的方式運行，并通過基于人工智能的控制方法，外科醫生能夠在手術過程中通過人機交互方案遠程操控機器人器械。

4. 醫學成像與導航技術：協作集成式手術機器人需要術前/術中影像引導的輔助，以實現多任務分配。通常，醫學影像可分為電離輻射成像和非電離輻射成像兩類；值得注意的是，手術機器人可以有效減弱醫學影像的輻射影像，同時可以使用影像進行機器人的反饋控制，實時掌握術中器械位置與病灶組織信息，實現到靶點的精確導航。

03.

當手術機器人學會分工：四種協作模式

論文中不僅提出了概念，還對現有技術進行了系統性的梳理和分類，根據手術任務的不同，協作集成式手術機器人發展出了多種“協作”的形態。

1. 協作磁控手術機器人：

這類機器人利用外部磁場控制體內的微型機器人，如圖3所示。案例顯示，通過多機械臂協同控制永磁鐵或電磁線圈，醫生可以在體外精準導航毫米級的磁性微導管，在血管系統中進行血栓切除或藥物遞送，無需開刀，創傷極小。這就像在體外用“磁力線”牽引著體內的微型“潛水艇”去完成精細任務。

圖3. 協作磁控手術機器人

2. 協作剛性器械手術機器人：

這是目前最成熟的類別，以達·芬奇系統為代表。但新一代系統正朝著更高自主性發展。例如STAR（智能組織自主機器人）系統，利用雙協作機械臂，配合電動縫合工具和內窺鏡，能在腹腔鏡下完成自主的腸道吻合術，其縫合效果已媲美資深外科醫生，標志著機器人正在承擔更復雜、更獨立的操作任務。

圖4. 協作式剛性/軟器械手術機器人

3. 協作軟器械手術機器人：

這類機器人由柔性材料制成，可以像蛇一樣彎曲、扭轉，在心臟、消化道等復雜腔道內自如穿行。論文重點介紹了達芬奇單端口（SP）系統，它僅通過一個切口，就能伸入多支柔性器械（如微型鑷子、顯微內鏡），完成從前需要多個創口才能實施的手術。它們在狹小空間內的協同能力，是傳統剛性器械無法比擬的，如圖4所示。

4. 協作多尺度手術機器人：

“宏觀+微觀”協同，宏觀機器人負責導航，微型/納米機器人深入腦血管、膽囊等狹窄區域，完成血栓取出、藥物遞送等精細操作，破解傳統手術“夠不到、做不細”的難題。例如，外部磁控機械臂引導無線的微型膠囊機器人進入胃腸道，進行定點藥物釋放或活檢。大型機器人與微型機器人“大小搭配”，優勢互補，將手術的微創化推向了極致，如圖5所示。

圖 5. 協作式多尺度手術機器人

04.

協作集成式手術機器人的發展藍圖: 多學科融合技術路線

協作集成式手術機器人研究屬于高度交叉的學科領域，成熟學科與新興領域均能在該領域發揮重要作用。在術前規劃階段，臨床醫學為研究提供手術具體流程、人體解剖學知識、外科操作技術及臨床診療規范等核心輸入要素。醫學影像學科可通過術前影像掃描技術為手術導航與規劃提供技術支撐；病理學科則可實現健康組織與病變組織的精準區分，為協作集成式手術機器人后續的智能組織識別與精準切除操作奠定基礎。從材料和機械科學的角度來看，選擇具有生物兼容性、重量輕且強度高的材料，能夠制造出用于在人體內安全部署的機器人末端執行器。同時，自動控制、人工智能、實時通訊以及感測回饋也是支撐協作集成式手術機器人功能的核心學科領域 (圖6)。

圖6. 協作集成式手術機器人的多學科融合技術發展路線

05.

結語

此外，論文也通過大量臨床案例，證實了這類機器人的顯著優勢——直腸癌手術時間從227.5分鐘縮短至184分鐘，小腸內鏡平均讀數時間縮短至33.7分鐘，心血管干預中血管損傷率大幅降低，真正實現了“微創、精準、高效”，為患者帶來更好的治療體驗。

當然，論文也客觀指出了當前發展面臨的挑戰：技術層面，不同驅動方式整合、器械微型化仍是瓶頸；臨床轉化層面，高成本、醫生培訓難度大、監管審批嚴格，限制了其普及；倫理層面，人工智能輔助決策的問責制、機器自主權的邊界，仍需進一步明確。

“協作集成式手術機器人”概念的提出，不僅是技術的迭代，更是外科手術理念的一次飛躍。它讓我們看到，未來手術室的主角將不再是孤立工具，而是一個由不同專長機器人組成的、在醫生智慧指揮下高效協同的“醫療團隊”。從宏觀到微觀，從剛性到柔性，從手動到自主，這些機器人正以互補的姿態，突破人體生理的極限，拓展外科治療的邊界。

參考文章：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675826000573