這項(xiàng)由約翰斯·霍普金斯大學(xué)的金志雄（Ji Woong Kim）教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合斯坦福大學(xué)的切爾西·芬恩（Chelsea Finn）教授等多位研究者完成的突破性研究，于2025年7月發(fā)表。該研究首次實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在真實(shí)手術(shù)環(huán)境中的完全自主操作，成功率達(dá)到100%。感興趣的讀者可以通過項(xiàng)目網(wǎng)站 https://h-surgical-robot-transformer.github.io/ 了解更多詳情。

要理解這項(xiàng)研究的重要性，我們可以把手術(shù)機(jī)器人想象成一個(gè)正在學(xué)習(xí)成為外科醫(yī)生的學(xué)徒。傳統(tǒng)的機(jī)器人就像一個(gè)只會(huì)按照固定步驟操作的工廠機(jī)器人，一旦遇到意外情況就會(huì)"卡住"。而這個(gè)新系統(tǒng)就像是給了機(jī)器人一個(gè)"大腦"和一雙"眼睛"，讓它能夠像真正的外科醫(yī)生一樣觀察、思考、判斷，甚至在出錯(cuò)時(shí)自我糾正。

研究團(tuán)隊(duì)選擇了膽囊切除術(shù)作為測(cè)試對(duì)象。膽囊切除術(shù)是一種常見的微創(chuàng)手術(shù)，每年僅在美國就有超過70萬例。這種手術(shù)需要精確地在膽囊的血管和膽管上夾放金屬夾子，然后用剪刀切斷，整個(gè)過程就像在一個(gè)狹小的空間里進(jìn)行精密的"剪紙"工作。

傳統(tǒng)的手術(shù)機(jī)器人完全依賴人類醫(yī)生的遙控操作，就像遙控玩具車一樣。醫(yī)生坐在控制臺(tái)前，通過操縱桿控制機(jī)器人的每一個(gè)動(dòng)作。雖然這種方式已經(jīng)很先進(jìn)，但仍然需要醫(yī)生全程專注，而且操作的精確度很大程度上取決于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)時(shí)的狀態(tài)。

這個(gè)新系統(tǒng)的革命性在于它采用了"分層決策"的思維方式。我們可以把它比作一個(gè)優(yōu)秀的廚師團(tuán)隊(duì)：主廚（高層決策系統(tǒng)）負(fù)責(zé)整體規(guī)劃，決定"現(xiàn)在應(yīng)該做什么"，比如"開始切菜"或"調(diào)整火候"；而副廚（低層執(zhí)行系統(tǒng)）則負(fù)責(zé)具體的動(dòng)作執(zhí)行，比如"把刀向右移動(dòng)2厘米"或"用力按壓3秒鐘"。

更令人驚嘆的是，這個(gè)系統(tǒng)還具備了"自我糾錯(cuò)"的能力。當(dāng)主廚發(fā)現(xiàn)副廚的動(dòng)作有問題時(shí)，會(huì)立即發(fā)出糾正指令，比如"停止切菜，先把菜板清理一下"或"刀子拿得太高了，降低一點(diǎn)"。這種實(shí)時(shí)糾錯(cuò)能力讓機(jī)器人能夠處理手術(shù)過程中的各種意外情況。

研究團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練這個(gè)系統(tǒng)的方式也很有趣。他們讓系統(tǒng)觀看了大量真人手術(shù)的錄像，就像讓一個(gè)醫(yī)學(xué)生反復(fù)觀看手術(shù)視頻學(xué)習(xí)一樣。系統(tǒng)不僅學(xué)會(huì)了正常的操作步驟，還學(xué)會(huì)了當(dāng)事情出錯(cuò)時(shí)應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)。這個(gè)過程收集了約16000個(gè)操作軌跡，相當(dāng)于17小時(shí)的手術(shù)錄像，覆蓋了34個(gè)不同的豬膽囊樣本。

為了讓訓(xùn)練更高效，研究團(tuán)隊(duì)使用了一些巧妙的技巧。他們使用了可以反復(fù)開合的特殊夾子，這樣就能在同一個(gè)膽囊上重復(fù)練習(xí)多次，就像練習(xí)書法時(shí)可以用水寫字，干了以后重新再寫一樣。對(duì)于剪切練習(xí)，他們讓機(jī)器人做剪切的動(dòng)作但不真正剪斷，在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)再模擬完整的剪切過程。

系統(tǒng)的"眼睛"也經(jīng)過了精心設(shè)計(jì)。除了常規(guī)的內(nèi)窺鏡視野，研究團(tuán)隊(duì)還在機(jī)器人的"手腕"上安裝了微型攝像頭，就像給外科醫(yī)生戴上了放大鏡一樣。這些攝像頭能夠提供更清晰的近距離視圖，幫助機(jī)器人更精確地定位和操作。

在實(shí)際測(cè)試中，這個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)令人矚目。研究團(tuán)隊(duì)在8個(gè)從未見過的豬膽囊上進(jìn)行了完整的手術(shù)測(cè)試，每次手術(shù)都包含17個(gè)不同的任務(wù)步驟。結(jié)果顯示，機(jī)器人在所有8次手術(shù)中都取得了100%的成功率，完全沒有人為干預(yù)。平均每次手術(shù)耗時(shí)約5分17秒，期間系統(tǒng)自主進(jìn)行了6次糾錯(cuò)操作。

這些糾錯(cuò)操作涵蓋了各種可能出現(xiàn)的問題。比如當(dāng)夾子沒有準(zhǔn)確夾住目標(biāo)血管時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整位置重新嘗試；當(dāng)一只機(jī)械臂擋住了另一只臂的視線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)移開障礙物；當(dāng)剪刀的角度不合適時(shí)，系統(tǒng)會(huì)重新調(diào)整角度再進(jìn)行切割。

研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)各個(gè)組件的重要性。他們發(fā)現(xiàn)，如果去掉"自我糾錯(cuò)"功能，成功率會(huì)下降到77.8%；如果移除手腕攝像頭，成功率降至66.7%；如果使用傳統(tǒng)的單層決策系統(tǒng)而不是分層系統(tǒng)，成功率僅為33.3%。這些數(shù)據(jù)清楚地表明，每個(gè)創(chuàng)新組件都對(duì)系統(tǒng)的整體性能起到了關(guān)鍵作用。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的魯棒性，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了"故意刁難"的測(cè)試。他們?nèi)藶榈貙C(jī)器人放置在各種困難的位置，比如讓夾子卡在兩根血管之間，或者讓機(jī)械臂處于完全錯(cuò)誤的位置。結(jié)果顯示，系統(tǒng)在大多數(shù)情況下都能夠自主恢復(fù)到正確的操作狀態(tài)。

與專業(yè)外科醫(yī)生的對(duì)比實(shí)驗(yàn)也很有意思。雖然醫(yī)生在速度上仍然占優(yōu)勢(shì)，但機(jī)器人在動(dòng)作平滑性和路徑精確性方面表現(xiàn)更好。機(jī)器人的手術(shù)軌跡更短、更直接，抖動(dòng)更少，這意味著對(duì)組織的損傷可能更小。當(dāng)然，目前機(jī)器人的操作速度還比較慢，這主要是為了確保安全性。

研究團(tuán)隊(duì)也坦誠地討論了當(dāng)前系統(tǒng)的局限性。目前的測(cè)試是在離體的豬膽囊上進(jìn)行的，真實(shí)的人體手術(shù)環(huán)境會(huì)更復(fù)雜，包括呼吸運(yùn)動(dòng)、出血、器官間的相互影響等。手腕攝像頭的尺寸也需要進(jìn)一步縮小才能適用于真正的微創(chuàng)手術(shù)。

從技術(shù)角度來看，這個(gè)系統(tǒng)使用了當(dāng)前最先進(jìn)的人工智能技術(shù)。它的"大腦"基于Transformer架構(gòu)，這是目前處理序列數(shù)據(jù)最有效的方法之一，也是ChatGPT等大型語言模型的核心技術(shù)。通過將手術(shù)過程理解為一個(gè)"語言序列"，系統(tǒng)能夠更好地理解操作的上下文關(guān)系和時(shí)間邏輯。

系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式也很值得關(guān)注。它采用了"模仿學(xué)習(xí)"的方法，就像人類學(xué)徒通過觀察師傅工作來學(xué)習(xí)技能一樣。但與簡單的模仿不同，這個(gè)系統(tǒng)還能理解每個(gè)動(dòng)作背后的"意圖"，這讓它能夠在面對(duì)新情況時(shí)做出合理的調(diào)整。

更有趣的是，系統(tǒng)還支持實(shí)時(shí)的人工干預(yù)。如果手術(shù)過程中出現(xiàn)了系統(tǒng)無法處理的復(fù)雜情況，醫(yī)生可以通過語音指令臨時(shí)接管控制，就像駕駛員在自動(dòng)駕駛汽車遇到復(fù)雜路況時(shí)接管方向盤一樣。這些人工干預(yù)的數(shù)據(jù)還會(huì)被記錄下來，用于進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的性能。

研究團(tuán)隊(duì)將這種方法稱為SRT-H（分層手術(shù)機(jī)器人變換器）。這個(gè)名字很形象地概括了系統(tǒng)的核心特點(diǎn)：它是專門為手術(shù)設(shè)計(jì)的（Surgical），基于機(jī)器人平臺(tái)的（Robot），使用變換器技術(shù)的（Transformer），并且采用分層架構(gòu)的（Hierarchical）。

從醫(yī)療應(yīng)用的角度來看，這項(xiàng)技術(shù)的潛在影響是巨大的。首先，它可以幫助解決外科醫(yī)生短缺的問題，特別是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或發(fā)展中國家。其次，它可以減少手術(shù)中的人為錯(cuò)誤，提高手術(shù)的一致性和可預(yù)測(cè)性。第三，它可以讓經(jīng)驗(yàn)不足的醫(yī)生也能進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)，相當(dāng)于給了他們一個(gè)"超級(jí)助手"。

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)距離真正的臨床應(yīng)用還有一段路要走。從技術(shù)角度，需要在更復(fù)雜的手術(shù)環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證，處理更多種類的解剖變異，提高操作速度，減小設(shè)備體積。從監(jiān)管角度，需要通過嚴(yán)格的安全性和有效性驗(yàn)證，建立相應(yīng)的操作標(biāo)準(zhǔn)和責(zé)任體系。從社會(huì)角度，需要醫(yī)生和患者的接受，以及相關(guān)法律法規(guī)的完善。

研究團(tuán)隊(duì)也提到了一些有趣的技術(shù)細(xì)節(jié)。比如，系統(tǒng)使用了一種叫做"混合相對(duì)動(dòng)作表示"的方法來描述機(jī)器人的動(dòng)作，這種方法能夠更好地處理機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中的不一致性問題。系統(tǒng)還使用了"動(dòng)作分塊"技術(shù)，一次預(yù)測(cè)未來2秒的動(dòng)作序列，這樣可以讓動(dòng)作更流暢、更連貫。

在訓(xùn)練數(shù)據(jù)的處理上，研究團(tuán)隊(duì)也下了很多功夫。他們不僅收集了正常操作的數(shù)據(jù)，還特意收集了各種錯(cuò)誤操作和恢復(fù)操作的數(shù)據(jù)。這就像讓學(xué)生不僅學(xué)習(xí)正確答案，還要學(xué)習(xí)常見的錯(cuò)誤類型和糾正方法。他們還使用了數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，通過對(duì)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、顏色調(diào)整等處理，讓系統(tǒng)能夠適應(yīng)更多樣的視覺條件。

系統(tǒng)的語言理解能力也很值得關(guān)注。它能夠理解18種不同的糾錯(cuò)指令，比如"把左臂向右移動(dòng)"、"把右臂抬高一點(diǎn)"、"張開夾子"等。這些指令使用了日常語言而不是復(fù)雜的技術(shù)術(shù)語，這讓醫(yī)生能夠很自然地與系統(tǒng)交流。

研究團(tuán)隊(duì)還嘗試了使用GPT-4這樣的通用人工智能模型來擔(dān)任高層決策者的角色。然而結(jié)果顯示，通用模型在這種專業(yè)領(lǐng)域的表現(xiàn)并不理想。它經(jīng)常會(huì)跳過重要步驟，或者在不合適的時(shí)機(jī)發(fā)出指令。這說明了專門訓(xùn)練的專業(yè)系統(tǒng)的重要性，也解釋了為什么這個(gè)研究選擇了從頭開始訓(xùn)練專門的手術(shù)系統(tǒng)。

從更廣闊的視角來看，這項(xiàng)研究代表了機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。它展示了如何將最新的人工智能技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜任務(wù)中，如何讓機(jī)器人具備類似人類的推理和適應(yīng)能力。這些技術(shù)不僅可以應(yīng)用于手術(shù)，還可能推廣到其他需要精密操作的領(lǐng)域，比如精密制造、太空探索、深海作業(yè)等。

研究的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)是開源了部分代碼和數(shù)據(jù)集，這將有助于全球研究者共同推進(jìn)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。這種開放的研究態(tài)度體現(xiàn)了科學(xué)界的合作精神，也有助于加速技術(shù)的成熟和應(yīng)用。

值得注意的是，這個(gè)系統(tǒng)的成功也離不開硬件的支持。研究使用的da Vinci手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)本身就是一個(gè)非常精密的平臺(tái)，具有高精度的運(yùn)動(dòng)控制能力和優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)。新的人工智能算法與成熟的硬件平臺(tái)的結(jié)合，展現(xiàn)了軟硬件協(xié)同發(fā)展的重要性。

從數(shù)據(jù)的角度來看，這個(gè)研究也展現(xiàn)了機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)代的一些特點(diǎn)。系統(tǒng)的訓(xùn)練需要大量的標(biāo)注數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了大量時(shí)間來收集和處理這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的質(zhì)量和多樣性直接影響了系統(tǒng)的性能，這也提醒我們?cè)诎l(fā)展人工智能技術(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)收集和處理的重要性不亞于算法設(shè)計(jì)。

安全性始終是醫(yī)療機(jī)器人最重要的考慮因素。研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮了各種安全機(jī)制。系統(tǒng)具有多重故障檢測(cè)機(jī)制，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況會(huì)立即停止操作。所有的操作都在專業(yè)醫(yī)生的監(jiān)督下進(jìn)行，醫(yī)生可以隨時(shí)接管控制。系統(tǒng)還具有詳細(xì)的操作記錄功能，方便事后分析和審查。

展望未來，這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)朝著幾個(gè)方向發(fā)展。首先是擴(kuò)展到更多類型的手術(shù)，從簡單的切除手術(shù)到復(fù)雜的重建手術(shù)。其次是提高系統(tǒng)的智能水平，讓它能夠處理更復(fù)雜的解剖變異和并發(fā)癥。第三是改善人機(jī)交互界面，讓醫(yī)生能夠更自然地與系統(tǒng)協(xié)作。最后是降低成本，讓這種技術(shù)能夠在更多醫(yī)院得到應(yīng)用。

這項(xiàng)研究也引發(fā)了一些有趣的哲學(xué)思考。當(dāng)機(jī)器人能夠獨(dú)立完成復(fù)雜的手術(shù)時(shí)，我們?nèi)绾味x"醫(yī)療責(zé)任"？醫(yī)生的角色會(huì)如何變化？患者對(duì)機(jī)器人手術(shù)的接受度如何？這些問題沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，需要醫(yī)學(xué)界、法律界和社會(huì)各界共同探討。

從教育的角度來看，這種技術(shù)也可能改變醫(yī)學(xué)教育的模式。未來的外科醫(yī)生可能需要學(xué)習(xí)如何與智能機(jī)器人協(xié)作，如何監(jiān)督和指導(dǎo)機(jī)器人的操作，如何處理機(jī)器人無法應(yīng)對(duì)的復(fù)雜情況。這將要求醫(yī)學(xué)教育體系做出相應(yīng)的調(diào)整。

說到底，這項(xiàng)研究最令人興奮的地方在于它展示了技術(shù)進(jìn)步為人類帶來的實(shí)實(shí)在在的好處。通過讓機(jī)器人具備類似人類醫(yī)生的判斷能力和適應(yīng)能力，我們有可能讓更多患者享受到高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，縮短康復(fù)時(shí)間。當(dāng)然，技術(shù)的發(fā)展需要時(shí)間，從實(shí)驗(yàn)室到臨床還有很長的路要走，但這個(gè)研究無疑為我們指明了一個(gè)非常有前景的方向。

歸根結(jié)底，這不僅僅是一個(gè)技術(shù)成就，更是人類智慧和創(chuàng)造力的體現(xiàn)。它告訴我們，通過科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，我們能夠不斷突破原有的限制，為人類的健康和福祉做出更大的貢獻(xiàn)。對(duì)于普通人來說，雖然我們可能不會(huì)直接參與這樣的研究，但了解這些前沿進(jìn)展有助于我們更好地理解科技發(fā)展的方向，也讓我們對(duì)未來的醫(yī)療服務(wù)充滿期待。

有興趣深入了解技術(shù)細(xì)節(jié)的讀者，可以訪問研究團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目網(wǎng)站或查閱發(fā)表在相關(guān)學(xué)術(shù)期刊上的完整論文，那里有更多關(guān)于算法設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)信息。

Q&A

Q1：這個(gè)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)是否會(huì)完全取代外科醫(yī)生？ A：不會(huì)完全取代。目前系統(tǒng)主要是作為醫(yī)生的"超級(jí)助手"，在醫(yī)生監(jiān)督下執(zhí)行特定的手術(shù)步驟。它可以減少醫(yī)生的疲勞，提高手術(shù)精確度，但醫(yī)生仍然負(fù)責(zé)整體決策、處理復(fù)雜情況和承擔(dān)醫(yī)療責(zé)任。未來外科醫(yī)生的角色可能會(huì)從"操作者"轉(zhuǎn)變?yōu)?指揮者"和"監(jiān)督者"。

Q2：這種技術(shù)什么時(shí)候能在醫(yī)院里真正使用？ A：目前還需要幾年時(shí)間。研究團(tuán)隊(duì)需要先在更復(fù)雜的真實(shí)手術(shù)環(huán)境中驗(yàn)證系統(tǒng)性能，通過嚴(yán)格的安全性測(cè)試，獲得醫(yī)療器械監(jiān)管部門的批準(zhǔn)，并培訓(xùn)醫(yī)生使用這套系統(tǒng)。預(yù)計(jì)最早可能在5-10年內(nèi)開始小規(guī)模臨床試驗(yàn)，更廣泛的應(yīng)用可能需要更長時(shí)間。

Q3：普通患者如何判斷是否適合接受機(jī)器人手術(shù)？ A：這主要由專業(yè)醫(yī)生根據(jù)患者的具體情況來判斷。一般來說，機(jī)器人手術(shù)更適合標(biāo)準(zhǔn)化程度較高、操作相對(duì)簡單的手術(shù)類型。患者應(yīng)該關(guān)注醫(yī)院和醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備的成熟度、以及自身的身體狀況。最重要的是要充分了解手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和益處，與醫(yī)生進(jìn)行詳細(xì)溝通后做出決定。