外科手术机器人是近年来一项非常成功的医疗器械科技成果，是集临床医学、生物力学、机械学、材料学、计算机科学、微电子学、机电一体化等诸多学科为一体的新型医疗器械，属于比医用外科口罩风险管理要求更高的III类医疗器械。
外科手术机器人因何能用于外科手术，帮助临床医学解决了哪些问题，其中有什么关键技术？福祉君就以世界上最先进的外科手术机器人达芬奇（Da Vinci）为例，带您一探究竟。
达芬奇机器人微创外科手术系统
达芬奇外科手术机器人是世界范围应用广泛的一种智能化手术平台，2000年获得美国食品与药品监督管理局(FDA)批准，成为进入临床外科的智能内窥镜微创手术系统。
图：达芬奇手术机器人的三个主要部件 图片来源：[2]
事实上，手术机器人并不能自己做手术，而是外科医生使用操作控制台的手柄来完成达·芬奇的手术。相比于人们对"机器人"的刻板印象，达·芬奇更像是一个沉浸式的有与现实交互的VR系统，可以将高分辨率的放大3D视觉反馈和力反馈与人的操作构成回环。让操纵者仿佛身临其境，感受更加细节的视角，在更小的空间内对手术对象进行微创操作。达·芬奇系统可以实时转换你的外科医生在操作台上的手部动作，在操作过程中弯曲和旋转仪器。这些小小的腕式仪器像人手一样移动，但移动范围更大。
图：达芬奇机器人操作手术示意 图片来源：[1]
总的来说，达芬奇手术机器人可以增加视野角度；减少手部颤动，机器人"内腕"较腹腔镜更为灵活，能以不同角度在靶器官周围操作；较人手小，能够在有限狭窄空间工作；使术者在轻松工作环境工作，减少疲劳更集中精力；减少参加手术人员。
图：达芬奇通过细窄的瓶口缝合一颗葡萄的表皮 图片来源：YouTube
对于患者来说，手术操作可以更精确，与腹腔镜(二维视觉)相比，因三维视觉可放大10-15倍，使手术精确度大大增加，术后恢复快，愈合好。除此之外，还可以减少术后疼痛；缩短住院时间；减少失血量；减少术中的组织创伤和炎性反应导致的术后粘连。
关键技术——力控制及力反馈
1、达芬奇的力反馈腕手
外科手术主刀医生最爱护的就是自己的手，因为双手集合了术者多年的"手感"，换言之，在外科手术中，感知和操作同样重要。那么如何将器械末端的传递回操纵者手里，并且能同时精准跟踪人手的动作，将力传感器的反馈和视觉的反馈相结合，是此类机器人最核心的技术之一。
图：具有多达7个自由度的EndoWrist末端 图片来源：[4]
由于末端机械结构靠电机牵拉钢丝驱动，而执行器末端的六维力直接通过多个关节和腹壁外机械空心轴传递，因此产生了多种力反馈的方案。
图：美国卓克索大学Gtholey等人研究的直接在机械轴臂上装贴传感器的方案 图片来源：[3]
图：德国宇航Seibold等人提出的末端六维力传感器反馈方案 图片来源：[3]
还有很多不用应变片当传感器件的力检测方法，大多是用光纤、光电子元件等其他技术手段检测形变从而实现力检测。利用光纤作为传感器件的方式解决了传统应变片式传感器在电磁环境中容易产生干扰信号的问题，并且具有较高的测量精度。
图：英国伦敦王学院的 Panagioyis等人设计使用光纤作为形变传感器件三维传感器 图片来源：[3]
除此之外，还有诸多无传感器力检测的相关研究，主要通过视觉和智能算法计算出末端的受力情况。这类力检测方案更适合微创手术的无菌、化学、电磁环境。
为了方便大家更直观的了解达芬奇手术机器人，戳下面视频：
参考文献：
[2]About Da Vinci Systems
[3] 黄佳清. 手术机器人的夹持力检测及其反馈控制研究[D].哈尔滨工业大学,2019.
[4] da Vinci® Surgery - How It Works
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