医用机器人的新进展
1．外科手术机器人的新成果
⑴研制成世界首台外科手术机器人。
2007年6月，加拿大卡尔加利大学宣布，该校外科专家加内特·萨瑟兰德博士带领的研究小组，与研制航天飞机机械手的MDA公司合作，研制出名为“神经臂”的外科手术机器人系统。有关专家认为，该系统将为外科手术带来变革，从而使显微手术产生革命性的突破。
外科手术特别是神经外科手术，受到人手准确性的限制。发展于20世纪60年代的显微外科技术，使外科医生超越了人手精准、灵活和持久的极限，而“神经臂”系统则又极大地提高了外科手术的精准率，使外科手术水平从器官级发展到细胞级。利用该系统，外科医生可通过操纵计算机工作站，使“神经臂”与核磁共振图像仪协同作战，从而在显微尺度下使用器械从事微细手术。
据研究人员介绍，“神经臂”需要与具有强磁场的核磁共振成像仪一起运行，它的开发是由包括医疗、物理、电子、软件、光学和机械工程师等合作进行的。项目启动时，MDA公司的工程人员与卡尔加里大学外科医生一起，确定了设计“神经臂”机器人的技术需求。由于医生和工程人员仅擅长于各自的专业，难以沟通，把外科术语翻成技术词汇面临很大的挑战。目前萨瑟兰德研究小组正与卡尔加里卫生局、卡大医疗教育的教师合作开展一个培训项目，对将使用“神经臂”系统的外科医生进行培训。
萨瑟兰德博士表示，他们不仅要研制“神经臂”机器人，还要为其设计一套医疗机器人教学大纲。他们希望这一新技术能够在世界范围得到应用。为实现这一目标，他准备更多地向学生和年轻专家宣传该技术，因为他们更推崇新技术，也是临床新技术应用的中坚力量。
⑵研发嵌入式脑外科手术机器人获得重大突破。
2011年11月28日，欧盟委员会在《欧洲机器人周》首日新闻发布会上，正式对外宣布，由欧盟第七研发框架计划（FP7）资助的机器人研发项目ROBOCAST，在嵌入式脑外科手术机器人的研究上，获得突破性进展。该项研究由德国、意大利、英国和以色列的科技人员合作完成。
新型机器人主要有两大突破点：一是具有13项类型操作自由度，大大高于微创脑外科手术人工操作4项自由度；二是具有创口小、伤痛轻的“快速返回”和修复功能。
具备内窥镜监测脑神经外科手术的新型机器人，借助被称作为穿颅锥孔的微细管口，以探头的方式嵌入颅骨内部，进而进行病灶组织的处理及淤血收集或其它液体的收集排出。新型机器人，仅有外科医生手术操作抖动的十分之一，以及其特殊优势，更适合用于脆弱病灶去除的保护手术和避免大脑开颅的手术。
这项研究成果，可为欧洲成百万的脑肿瘤患者、癫痫病、帕金森综合症、呆傻症等病患，减轻痛苦和带来福音。
2．医用微型机器人的新成果
⑴研制出通过血管进入人体治病的微型机器人。
一是制成像蛇一样在血管中游到患处放药的机器人。
2005年3月，《日经产业新闻》报道，日本理化研究所，与产业技术综合研究所联合组成的研究小组宣布，他们研制出能像蛇一样游泳的机器人。研究人员还计划对这种机器人，进行小型化处理，使其将来能通过人的血管游到病患处释放药物。
这种机器人的身体，由一种新型薄膜材料制成，长14厘米，宽1.2厘米，厚200微米。薄膜的两面都有能进行离子交换的树脂，在对该树脂镀金使其成为电极并施加电压后，机器人所处液体环境中的离子和水分子，会向电极的一面迁移，使薄膜弯曲。
研究人员把构成机器人身体的薄膜，分隔为7个区域，每个区域的电极，分别在不同时间被施加电压，这样机器人就能像蛇一样在液体中蜿蜒游动，每秒可游出约4毫米。
目前，这种机器人，还需要通过电线与电源相连。研究人员计划将来为该机器人安装小型电池，增强其未来在人体血管内游动的能力。
二是研制出直径1毫米可进入血管的机器人。
2007年7月，以色列理工学院尼尔·施瓦布博士领导，以色列技术工程学院专家奥代德·所罗门等参加的一个研究小组，在有关刊物发表论文称，他们研制出世界上最小的机器人，这种机器人可以进入人的血管并将药物送往人体各处。
研究人员说：“这种机器人直径1毫米、长4毫米，体形是目前世界上最小的。”
据介绍，这种机器人在血管中运动时，是在“爬行”而不是在“游泳”，这也让它在血管中的运动更容易控制。它带有机械手，可以抓住血管内壁，从而可以经受住血流的冲击并不断前行。
机器人自身并不携带电池，其动力来源于外部磁场激发的振动。正因为其能量全部来自外部，这种机器人不仅能够在人的控制下无时限地在人体内工作，而且这样的设计还让科学家得以最大限度缩小机器人的尺寸。
在微创手术以及治疗癌症用的近接疗法中，这种机器人可以作为投送药物的工具，解决如何把药物精确施于需要治疗部位的问题。研究人员表示，他们将继续设法缩小这种机器人的体形，以提高它的适用性。
三是研制出可钻入动脉清除阻塞物的微型机器人。
2007年10月，韩国国立全南大学的研究人员，研制出一种小到能从血管中通过的微型机器人。它的长度不及一毫米，像螃蟹一样用6条腿行走。开发它的目的是，利用其清理阻塞的动脉。
研究人员发现，这种微型机器人在一周内能移动50米。它进入阻塞的动脉后，能释放出溶解血液凝块的药物，血液凝块经常引起心脏病发作。它有3条稍短的前腿和3条较长的后腿，6条腿都粘附在一个中心成矩形的身体上。研究人员发现，这些腿可以附着在心肌上，肌肉细胞收缩，机器人的腿就随之弯曲。这些肌肉细胞，从患者血液内的糖中获得能量。这意味着，这种机器人不需要额外的电源。
因为该机器人的3条前腿比3条后腿短，因此它们会随着心脏肌肉收缩向内弯曲，产生不同的摩擦力，从而推动机器人前进。利用患者自身的细胞(可用干细胞培养而成)也减少了身体产生排异反应的可能性。
四是研制由血管进入人体动手术的微型“机器人医生”。
2009年1月20日，有关媒体报道，澳大利亚莫纳什大学纳米物理学实验室詹姆斯·弗兰德教授领导的研究小组，正在研制能够进入人体动手术的微型“机器人医生”。
弗兰德介绍说，这种微型“机器人医生”的模型，利用压电效应原理。在外部遥控器控制下，压电材料振动机器人内部一个开瓶器状微型结构，推动由柔软鞭毛组成的“螺旋桨”，在人体血管内逆流而上。
微型“机器人医生”只有1/4毫米大小，相当于两三根头发的宽度。研制成功后，它能够携带传感器进入人体发回图像，甚至能替代医生实施血管手术。如果发生损坏，它能顺着血流方向回到原点，离开人体。
弗兰德表示，眼下研究仍处在观察阶段，最终实现通过微型“机器人医生”实施手术，可能需要数年时间。
⑵研制出通过肠道或脊椎管进入人体治病的微型机器人。
一是研制肠道蛔虫机器人。
2006年6月，由意大利、德国和英国科学家组成的研究小组，按照“人体中运动结构生物学模仿”计划，研制肠道蛔虫机器人，使它们能在人体肠道中爬行。
研究人员表示，这项计划的目的，在于了解生命初级形式的运动和感觉，制作具有生物学系统灵感的小型与微型机器人。计划的长期目标，是研制全新一代自动“智能”机器人，它们能与周围环境中活的生物协同动作。
研究者希望，这些装有微型摄像机和光源的蛔虫机器人，将成为诊断和内窥术的工具，取代传统的肠道检查方法。
二是研制出能在人的脊椎里穿行的微型机器人。
2006年11月14日，国外媒体报道，以色列理工学院莫舍·索哈姆博士领导的研究小组，开发出一种新型的推进系统，可以让微型机器人在脊椎管里穿行于脊髓中。索哈姆博士还是脊椎援助机器人的主要开发者。脊椎援助机器人能帮助外科医生实行脊椎手术。
这个在脊椎管内移动的机器人，需要设计得非常精确：个头必须小到能在人体脊椎管内行动，还必须有推进系统能让它足够灵活地工作。像药丸相机一样，药丸大的照相机被人吞咽后进入消化道，随着消化道的蠕动一路走来，它就能一路拍下消化道的情况，根本不需自己的动力系统。新机器人也是靠脊髓的推动来移动，拍照，做检查。
索哈姆博士说：“我们对准的首要目标位置是脊椎管，这意味着新发明能穿过脊髓液，因脊髓液清澈似水一样。它不会流动太快，但它需要推动。现在我们有了推进系统，但还没有给它加载负荷，将来它得有一个相机拍照，有一个子系统进行活检。”到时，这个机器人基本上就是一个自由游动的内诊镜：它有两个制动器——游动的尾巴，头上还装一台相机，拍下图片送给外面的医生查看。
理工学院研究人员解释说：“这是一个独特的游泳机械，适宜于做微型的，只有很小的动力消耗。将来，我们希望机器人能进行活检，并在患病处释放药物，进行就地治疗，”
不过，索哈姆博士估计，还得要几年时间才能完成这个机器人有效载荷的设计，还有进一步微型化的设计。“我相信未来将有微型机器人常驻我们的体内，游到有问题的地方。这就是微型渗透人体的步步提升。”
⑶发明以细菌为动力的微型机器人。
一是研制成用粘菌控制的微型机器人。
2006年2月15日，英国《卫报》报道，英国南安普敦大学教授克劳斯·彼得·泽纳领导，他的同事及日本神户大学研究人员参与的一个研究小组，发明了世界上第一个用粘菌控制的机器人。
报道说，泽纳研究小组在进行这项研究时，所使用的粘菌属于单细胞有机体，它有一种本能，懂得自动避开光线。泽纳培植了一个星状的粘菌，然后把它附在一个六条腿的机器人上，每个星点各附着一条腿，以此控制机器人的运动。
当白光照射到粘菌上面时，就会引起振动，改变它的厚度。这些振动随即被传送到计算机，由计算机发送信号移动机器人的腿。当光柱指向粘菌的不同部位时，相应的腿就会作出反应。当光柱的指向具有某种规律时，机器人就能够走动。
泽纳表示，研究小组正在进一步研究如何使用分子，而不是计算机程序指令，来控制机器人的功能和运动。他说：“我们研究这项技术的长期目标，是如何使用活细胞和分子来控制机器人。分子需要下部构造在他们周围运作。细胞可以提供这种下部构造，但是情况要复杂得多。”
此前，生物细胞已经被尝试与电子线路结合在一起，但只是用于传感器。泽纳的发明，第一次成功地利用活细胞控制机器人的活动。他说：“这项研究最吸引我们的地方是，细胞能够自我修复和自己重构，这是以前用常规技术无法实现的事情。”
二是研制以细菌驱动可进入人体的微型机器人。
2007年3月，美国匹兹堡卡内基·梅隆大学，助理教授梅廷·斯蒂领导的研究小组，发现了一种用细菌的自身推进力驱动微型机器人穿行液体的方法。这样，将有助于把药物或者监视器，送入人体如眼球腔、尿道或者脊柱等液体流过的部位。
斯蒂说：“我们使用的是粘质沙雷氏菌，它是一种能让淋浴帘出现粉红色斑点的细菌。”然而，让这种微小细菌穿行液体并非易事，就它们的尺寸而言，它们穿行液体有如在糖浆中游泳一样艰难。但是，这些细菌都拖着一个可旋转的螺旋式尾巴(也叫鞭毛)来推动它们前行。
斯蒂研究小组把5到10个这样的细菌，引入一小滴聚苯乙烯中。细菌便依附在液滴上，因为它们本身带正电，而聚苯乙烯滴带负电。然后，研究人员把这种细菌和聚苯乙烯结合的液滴悬浮在一种水和葡萄糖的溶液中，吸收到葡萄糖的养分后，细菌的旋转鞭毛就会推动液滴前行，速度约为每秒15微米。
当研究人员在溶液中加入硫酸铜后，重金属铜离子吸附在细菌鞭毛上，鞭毛便动弹不得，液滴就无法前行了。当在溶液中再加入另一种化学物后，铜离子离开鞭毛，液滴又开始转动了。斯蒂说：“我们进行了多次实验，用化学物阻碍液滴运动，然后分离化学物再让液滴动起来。”这一过程不会造成任何伤害。而且，更令人信服的是我们能够通过注射方式将微型机器人送入体内，使用外显的即时成像技术，医生便可观察到机器人的位置，通过遥控手段让它到达目标位置。
如果可行的话，机器人将“大有作为”，可以监控或者感知组织，也可以输送药物。斯蒂表示，如果机器人是由生物降解原料制成，它还可以自行分解或者顺尿道从体外排出。
瑞士联邦理工学院苏黎世分校，机器人技术与智能体系教授布拉德·内尔森说：“用微米级物体穿行液体是聪明的方法，但是，唯一的挑战是如何操纵它们，如何让它们停、动自如。”斯蒂对这种说法表示认可，他说，要让这种微米级机器人做这种奇妙的旅程，还将需要载体电子学、传感器、无线通信和微电池部件。
⑷其他微型机器人的新成果。
一是研制出能取肌体组织的微型机器人。
2005年5月13日，以色列理工学院发布的研究成果消息称，该院机械工程系的沙哈姆教授及其指导的博士生，研制出一种微型机器人，用它来操纵具有柔性的针，可以绕过人体内部的各种障碍，准确到达指定地点，获取该处的肌体组织。这是沙哈姆教授第二次发明医用机器人，过去他还发明过用于背部手术的机器人。
在通常情况下，如果需要对病人身体内部某处的肌体组织进行切片检查时，医生一般会用一根针插入到病人体内，来提取该处的组织。但是，在插针提取组织的过程中，由于皮肤、肌肉和病人本身的移动等，使得医生很难准确地将针插到位。沙哈姆等人研制出的微型机器人，可以握住柔性细针的底端，操纵着针在人体内部运行，不仅可以克服外部因素干扰，而且可以绕过肌体内部的障碍（如覆盖部位周边的众多血管等），精确到达医生指定的地点，进行取物。
沙哈姆认为，医学上对切片检查的要求越来越严，需要严格按照指定的位置来提取肌体组织。他说：“我们所发明的机器人，通过使用传感器获取数据，再按照数学模型进行工作，完全可以按照医生的要求，使针头精确地到达指定地点，提取肌体组织。”
二是发明可在心脏表面爬行做手术的机器毛虫。
2007年4月，美国宾州卡耐基·梅隆大学机器人研究所，科学家利维耶尔领导的研究小组，最近发明了一种微型“机器毛虫”，可以在心脏表面爬行，帮助进行微型手术。
研究人员已经在猪身上对原型机进行试验。他们表示，这种被称为“心脏登陆者”的微型“机器毛虫”，可以直接向心脏输送药物、安装起搏器或清除坏死的心脏组织，而开展这些工作都无需施行麻醉或胸腔手术。
研究小组希望，将来可以在“机器毛虫”上面安装无线频率探头，帮助把坏死的心脏纤维清除，治疗心率失常。这个“机器毛虫”只有几厘米长，状似一条毛毛虫，装有两个类似吸盘的脚，使其能够依附于跳动的心脏。科学家通过微创手术把它植入肋骨下，再利用这两个真空吸管依附在心脏上并由连到体外的推拉线控制。“机器毛虫”的爬行速度，最高可达每分钟18厘米。
利维耶尔说，在“机器毛虫”的帮助下，进行心脏搭桥手术时无需停止心跳，从而减少了和心脏搭桥手术有关的并发症。他说：“有了这种机器，同样的手术，病人可以不用进行全身麻醉，而且做完手术的当天病人即可出院。”研究人员希望能够在四年内，把“机器毛虫”使用到人类身上。
英国心脏基金会的主管皮特·韦斯勃格表示，这一发明非常有趣，但要实际用于心脏病治疗，还需要大量的研究工作。
3．开发为残疾人或中风患者提供帮助的机器人
⑴帮助残疾人生活的机器人。
一是开发出可背残疾人攀登台阶的两足机器人。
2005年4月29日，《日本经济新闻》报道说，总部位于北九州市的机器人风险企业日本泰姆扎克公司，与早稻田大学高西淳夫教授领导的研究小组，在对平地用机器人进行改良后，开发出这种能够背残疾人攀登台阶的两足机器人。
此前，泰姆扎克公司开发的机器人腿部活动范围狭窄，并且无法上下台阶。通过采用迈步时腰部也扭转的结构，研究人员最终开发出可背残疾人攀登台阶的新型机器人。新型机器人，利用内置的计算机感知台阶高度，然后由支撑腿部的6根调节器协调动作来攀登台阶。
比起原有的两足步行机器人，新型机器人能够搬运的重量更大，成本也更低。迄今为止的实验表明，它能够搭载体重94公斤的残疾人，攀登上20厘米高的台阶。高西教授称，这是世界上第一种能够背人并通过两足上下台阶的机器人。
二是开发出帮助上肢残疾者生活自理的机器人手臂。
2009年10月，日本产业技术综合研究所的一个研究小组，向媒体展示研究成果称，他们开发出一种轻便且安装、拆卸、操作都很简单的机器人手臂，可以安装在床或者轮椅上，帮助上肢有残疾的人实现生活自理。
由公布的资料可以看到，这种用树脂制成的机器人手臂重6公斤、长40厘米，能在1米范围内伸缩，它的2根手指能夹起不超过0.5公斤的物体。据介绍，这种机器人手臂，能够把桌上的饮料抓起来送到使用者的嘴边，或者拾起掉落在地板上的东西。
迄今为止，大多数机器人手臂，从结构和行动上都模仿人类手臂关节。但这些机器人手臂的关节部位，容易夹住并伤到使用者的手。新开发的机器人手臂的运动方式更加单纯，避免了上述弊端。此外，除以遥控器控制外，用电脑也能实现对它的控制。
⑵帮助中风患者康复的机器人。
开发帮助中风患者行走训练的机器人。2007年1月，德国柏林自由大学和柏林慈善医院等机构联合组成的研究小组，开发出一种新型康复机器人，能帮助中风患者锻炼下肢，早日恢复行走。
这种机器人名为“触觉行走者”，它主要由两块人脚大小的机械板组成，机械板与电脑相连。如果将中风患者的两脚固定在两块机械板上，它们就可以带动患者的下肢进行平地行走，以及上台阶等模拟训练。对恢复较快的病人，还能提供模拟蹬自行车和滑雪的训练。
4．医用机器人的其他新成果
⑴研制可采集血样为人打针的机器人护士。
2008年，国外媒体报道，俄罗斯莫斯科大学维克多·萨多维尼彻领导的一个研究小组，成功开发一种新型医学专利产品——“机器人护士”，它能够代替护士采集患者血样，并进行肌肉注射。
萨多维尼彻称，这种机器人可以实现对患者的肌肉注射，采集血样进行分析，并递交最终的分析结果，这一切都无需护士的协助。迄今为止，世界上还没有此类全自动医疗机械装置。他指出，在这项新发明的帮助下，人们将摆脱许多麻烦。如果你拥有这样一台“机器人护士”，那么家里有人生病需要注射肌肉针，将不必再前往医院了。它可以无痛地采集血样，在消毒状态下进行医学操作，并且精确地操作相应的医学分析。
除“机器人护士”之外，莫斯科大学研究人员目前正在全力研制“机器人医师”， 其设计目的是替代医生的双手，它将是一种机械触觉装置，可对受感染的器官组织进行拍摄，然后通过计算机屏幕进行手术操作。
⑵开发出夜间睡眠呼吸暂停感知机器人。
2011年11月7日，《日刊工业新闻》报道，日本早稻田大学可部明克教授领导的研究小组，成功开发出夜间睡眠呼吸暂停感知机器人，给患有“睡眠呼吸暂停综合症”的人们带来福音。
该机器人取名“熟睡君”，可以检测患者睡眠中出现的血液含氧量，及鼾声引起的呼吸停止状况，一旦出现异常，即刺激患者脸部，迫使患者头部动作，确保气管通畅。
“熟睡君”机器人犹如狗熊抱枕，重量约2公斤，采用人体导电通信技术，不需连接管道，只要患者头枕机器人腹部，通过套在手指上的感应传感器，及机器人内部的音量采集麦克风，即可实施自动检测。
检测数据无线传输给计算机，一旦发现“睡眠呼吸暂停综合症”患者，出现特殊频率的呼吸声，或血液中含氧浓度出现3%以上的下降，抱枕狗熊机器人的手臂，旋即刺激患者脸部，促使患者头部转动，达到使呼吸道通畅的目的。
至今，对于舌头或脖颈周围脂肪挡住气管，出现“睡眠呼吸暂停综合症”的治疗主要采取一种名为CPAP的办法，将可向气管输入空气的口罩固定在患者身上，但由于连接口罩的软管及口罩等位置的限制，让患者感到诸多不便。新的办法可以根据患者的患病程度，设定治疗数据，据说有效率达70%至80%，下一步将在临床试验中，进一步研究设备小型化和扩展检测科目等。
摘自张明龙、张琼妮《国外电子信息领域的创新进展》知识产权出版社2013年版，第402～410页。
