The future of robotic surgery
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大家好。我是来自《万物未来》节目的 Russ Altman。我们正在播客中启动新的问答环节。在每期节目的结尾，我将回答一些来自像您这样的观众和听众的几个问题。

如果您有任何问题，请以书面形式或语音备忘录的形式发送给我们，它可能会在即将播出的节目中出现。请介绍一下自己，告诉我们您来自哪里，并提出您的问题。您可以将问题发送到 thefutureofeverythingatstanford.edu。万物未来，一个词，没有空格，没有大写，什么都没有，在 stanford.edu。

S-T-A-N-F-O-R-D 点 E-D-U。非常感谢。这是斯坦福大学工程学院的《万物未来》节目，我是您的主持人 Russ Altman。在新的一年开始之际，我认为回顾一下这个节目的最初意图会很好。2017 年我们开始制作这个节目时，我们希望创建一个论坛，深入探讨和讨论我的同事们在校园内进行的科学、技术、工程、医学和其他主题的动机和研究。

斯坦福大学和大多数大学一样，长期以来一直在从事对世界产生重大影响的重要工作。我很高兴与您分享这项工作是如何由努力为所有人创造更美好未来的工作人员推动的。本着这种精神，我希望您在收听每一期节目后，都能对这里正在进行的工作有更深入的了解，并与您的朋友、家人、邻居和同事分享。机器人本身具有高度的多功能性。

首先，我们讨论游泳能力。如果它能游泳，那就太好了。但这就像玩具一样，对吧？在血管中游泳。是的，当然，这会很有趣。但我们需要它能够治疗疾病。因此，首先，它可以很容易地输送药物，因为它是一个空心结构。它实际上可以很容易地携带药物。

然后将药物扩散到特定部位，以便将高浓度药物输送到该部位。例如，如果我们正在治疗血栓，我们可以输送溶栓化学物质。对。所以我们可以溶解血栓。♪

这是斯坦福大学工程学院的《万物未来》节目，我是您的主持人 Russ Altman。如果您喜欢这个播客，请在您现在收听的任何应用程序中关注它。这将保证您不会错过任何一期节目，并且您始终了解万物的未来。今天，赵仁慧将告诉我们，未来的手术将大不相同。它将使用微小的软体机器人进行。这是机器人手术的未来。

在我们开始之前，请记住在您收听的应用程序中关注此播客，以便您始终收到新剧集的提醒，并且您不会错过任何关于未来的内容。因此，当您想到手术时，您通常会想到一位外科医生，您知道，戴着口罩和手术衣，拿着许多不锈钢工具打开您并进行操作，希望是有帮助的操作。

但是，您知道，即使在今天，机器人辅助手术也越来越多，外科医生正在使用机器人来操作狭小的空间或难以操作的空间，他们几乎像玩电子游戏一样控制它，机器人按照他们的吩咐去做，但他们正在控制它。好吧，猜猜看？现在我们必须开始考虑一种全新的手术类型。这是一种使用毫微机器人的手术类型。毫微是因为它们处于毫米级。

毫微机器人将能够进入您的体内，并在您的血液中游动，找到目标器官并进行修复。这是幻想吗？绝对不是。

事实上，赵仁慧是斯坦福大学机械工程和材料科学与工程教授，她是软体小型机器人的专家。她将告诉我们，她已经制造出了能够在您大脑血管中游动的原型，如果您有血栓或动脉或静脉问题，她将能够修复它们。

仁慧，您是机械工程、材料科学方面的专家。是什么吸引您从事机器人手术和医疗保健应用？这是一个很好的问题。因此，当我开始我的独立职业生涯时，这实际上并不是我的研究的一部分。

当我开始我的职业生涯时，我的重点始终是软材料和软复合材料以及软机器人的力学。对于软体机器人系统，如果我们考虑机器人系统的对应物，我们通常会想到非常坚硬的部件，例如，我只是用我的手臂为例。我们想到的大多数机器人系统都是由电机驱动的，用于控制自由度，对吧？如果我移动我的手臂，

假设这是一个机械臂，对吧？所以这里将有一个电机控制旋转自由度。这是一个所谓的硬机器人系统，总是由电机驱动来控制自由度的数量。但是

实际上，当我们想到自然界时，例如章鱼，对吧？所以它们的身体是柔软的。它们没有骨头。它们能够达到的灵活性、运动和移动程度真是令人惊叹。所以我对软体机器人感兴趣的原因是，我们可以自然地结合能够响应外部刺激的智能材料，例如应力，对吧？

或温度变化、压力变化、磁场，这是我们一直在进行的最重要和最深入的研究。因此，我们可以将这些材料与合理设计的结构相结合，以实现

不同类型的运动和移动。实际上，一切都是从探索不同的软体机器人系统开始的。后来，我们想，好吧，如果我们可以将这些软体机器人系统应用于生物医学应用，那么它将与人体更兼容，因为我们有柔软的皮肤。我们有非常非常柔软的组织。所以我们能否使用软系统

来解决软体中的问题。这就是一切的灵感和动力。很好。那么，首先，您可以告诉我们机器人手术的现状吗？我知道有一些系统已经部署了。我认为它们是您所说的硬系统，而不是软系统。

那么，您认为目前的现状是什么？更重要的是，它们提出了哪些挑战，您在您的研究小组中特别试图解决这些挑战？是的，这是一个很棒的问题。因此，现在的机器人手术仍然主要集中在人类使用各种不同的工具，例如刚性工具，例如机械臂，来控制人体内的导航或操作。

我认为最近的进展是在远程手术领域。因此，对于无法获得非常熟练的医生的患者，如果一位医生像，

在另一个国家，他非常非常熟练，并且是某种类型的手术和手术的专家。这位医生实际上可以远程为患者进行手术。这将对整个医疗保健领域产生非常非常大的变化，因为现在我们，所以考虑一下，我将在这里举一个例子，因为我们最近一直在研究的是开发一种，嗯，

一项治疗体内血栓的新技术，更具体地说，是治疗中风。中风是一种基本上需要立即治疗的疾病。

否则，如果患者没有在很短的时间内得到治疗，患者将在很短的时间内死亡数百万人。但是对于可以实际练习这种称为血栓切除术的机械血栓切除术的技术的外科医生来说，对于患者

无法通过注射化学物质来溶解大脑中的血栓的患者。4.5 小时后，将使用机械血栓切除术。这些类型的技术基本上基于介入放射学。所以使用

非常长的导管和导丝，从腿部或手臂插入，一直到达血管系统。它一直到达大脑。当它到达大脑时，需要一位非常熟练的医生来

基本上练习所有这些程序。训练这样的医生真的需要 8 到 10 年的时间，非常熟练。我们没有那么多医生。即使是斯坦福大学实际上也是西海岸最繁忙的场所

我们只有四到五位医生可以进行这种手术。这意味着如果我们考虑未来的机器人手术，人们实际上可以由机器人进行治疗。因此，可以训练这些机器人。如今，最先进的技术是医生仍然需要

使用机械臂等工具远程为患者进行手术。但将来，我们可以使用，因为最近的 AI 工具事件，AI 可以用来训练机械臂。最终，我们不需要医生为患者进行手术。

因此，借助非常先进的 AI 工具，AI 将训练机器人，而机器人，机械臂可以直接为患者进行手术。好的，很好。所以，好的。这就是我们的现状，这是一个非常具体的愿景。但是现在我试图将您告诉我们的两件事结合起来，这个想法是机器人进行手术，但您也提到了章鱼和某种柔软的机器人。所以为什么，

这些实际上会是什么样子，它们实际上是如何控制的？因为我现在想知道，我是否应该考虑一只进行手术的章鱼，或者这有点疯狂？带我了解您为这些软材料和机器人外科医生设想的未来。是的，当然。当我提到这种受章鱼手臂启发的机械臂时，所以当我们想到一种动物时，对吧，

所以这种动物实际上可以移动，可以变形它的手臂。与此同时，这是一个非常有趣的事实。我们的神经元在大脑中，但对于章鱼来说，其三分之二的神经元实际上在其手臂中，而不是在大脑中。所以基本上，它们是一种非常聪明的动物。

它具有由柔性部件控制的运动，并且柔性部件可以同时思考和做出决定。是的。这就是灵感的来源。我

我们在这里试图开发的是创建一个能够响应外部刺激的系统。我之前曾以导管为例。我可以再举一个中风治疗的例子，用于

中风治疗。因此，如果您知道大脑中的脉管系统是什么样的，它实际上是高度弯曲的，就像树枝一样。它实际上在大脑中是这样的。当医生观察患者大脑中的脉管系统时，他们使用规则图，基本上是血管的弯曲程度来确定该患者是否可以进行机械血栓切除术。因为最终，导管和导丝需要能够在这个高度弯曲的环境中导航并到达疾病。对。他们必须与血管所做的所有相同的转弯等相同。而且这些可能是非常紧密的转弯。是的。这些可能极具挑战性。我们最近一直在开发的是拥有一个机器人系统。我实际上是一个

我不知道您是否能看到它，但它在我的……好吧，我们既是播客又是 YouTube，所以您必须尽可能地描述它。好的。所以这是一个毫米系统。直径大约为 2 毫米。因此，当我们谈论大脑中的脉管系统时，我们谈论的是直径为 3 毫米到 5 毫米的血管大小。

好的，所以它可以装进去。对，对，没错。因此，我们最近开发了这个小型机器人，它由磁场控制。因此，我们基本上去除了所有系绳，并且没有使用导丝、导管，因为

对于机械血栓切除术或任何类型的介入放射学技术来说，它们都是基于导管的。如果我们有导管，同样的挑战也会摆在我们面前，对吧？当它穿过弯曲的血管时，导管的导航能力、可追踪性。现在我们有了 2 毫米大的系统。

它可以在血管中快速游动。你说游泳吗？是的，它可以游泳。好的。基本上，我可以给您一个数字。它可以很容易地达到每秒 30 厘米的游泳速度。

好的，这非常快。是的，甚至可能比血流更快，但肯定在大致相同的速率附近，对吧？是的。它旨在能够克服血流。好的。因为为了能够在血管中导航，我们需要让机器人能够以可控的方式向上游和下游游泳。

因此，对于那些看不到该物品图片的人来说，您说它的直径大约是 2 毫米。它有多长？它像一条小小的蠕虫，还是一根长长的细绳，还是一个短圆柱体？好的。是的，它看起来很像一个空心圆柱体，但它有鳍。

它还有横向切割。这创造了该结构，特定的设计结构。总的来说，它的直径为 2 毫米，高度约为 3 毫米。好的。所以它就像一个可口可乐，一个非常小的可口可乐罐。

是的，它是一个非常有趣的设计结构，可以让它快速游泳。与此同时，它产生了一个非常有趣的流场。让我告诉您更多关于这个流场及其功能的信息。因此，如果我们有一些东西真的可以在血管中游泳，那真的太酷了。这就像一个电脑游戏。你可以玩它。所以，我的学生真的很喜欢它。

使用操纵杆来控制游泳的导航。所以我要问，你船上有摄像头吗？这似乎太小了。或者您是从外部观察它？你怎么知道你在哪里以及如何控制它？是的，好问题。所以在这个阶段，我们正在

直接查看流模型。我们有一条大脑动脉。这是一个一对一的脑动脉流模型。那是大脑的脉管系统。我们可以直接看到它，因为这是一个 3D 打印的透明流模型，它是物理上透明的管子，遵循脉管系统，遵循人类患者血管中每个点的曲率。然后我们可以直接看到它，然后我们可以使用机械臂来控制小型机器人的导航。但在现实中，这就是为什么当涉及到这个多学科性质的项目时，它变得如此重要，因为最终这将在 X 射线实验室、CT 实验室中进行控制。因为我们无法直接透过头骨和所有东西，所有东西仍然基于 X 射线。X 射线将作为成像、视觉系统。

当然，您需要 3D，因为您不希望将其转向墙壁或穿过组织。没错。导航是完整的 3D。这也是一个具有挑战性的方面。我们首先需要获得 3D 脉管系统作为路线图，然后控制组织。

机器人在这个 3D 空间中导航。是的，所以这听起来像是一个非常通用的体内导航工具，可以到达许多地方。让我问几个问题。这是由硬质材料制成的，还是您的软质材料之一？所以这种材料是 3D 打印的。它有一个柔软、灵活的部分，它也有其刚性部分。正如我之前提到的，这是一个由磁场控制的非常小的系统。

基本上，我们施加一个旋转的外部磁场。然后机器人实际上遵循外部磁场的旋转频率，然后它就会游泳。刚性部分实际上是那些微小的磁铁。这些是附着在柔性部件上的亚毫米级磁铁。它可以解决。因此，机器人的模量、刚度取决于

工作环境。我们可以让它更柔软，我们可以让它更坚硬，这取决于我们希望机器人具有什么样的应用。

您认为这些小型机器人也可以将药物输送到所需的位置吗？是的。所以这真的很有趣。机器人本身具有高度的多功能性。首先，我们讨论游泳能力。如果它能游泳，那就太好了。但这就像玩具一样，对吧？在血管中游泳。是的，当然，这会很有趣。但我们需要它能够治疗疾病。

因此，首先，它可以很容易地输送药物，因为它是一个空心结构。它实际上可以携带药物，然后将药物扩散到特定部位，以便将高浓度药物输送到该部位。例如，如果我们正在治疗血栓，我们可以输送溶栓化学物质

对。

但也应用治疗。关于它如何治疗血栓的真正有趣的事情是基于血栓的微观结构。

你知道血栓是由什么组成的吗？我对此了解一点，但我敢打赌很多人不知道。那么我们应该知道什么呢？是的。所以血栓，当然，你会知道血栓是什么样的。血栓是红色和柔软的。它就像凝胶一样。血栓的微观结构本质上是纤维蛋白网络。它就像聚合物链一样。它是纤维蛋白和纤维的网络。然后诱捕或约束所有红细胞。

当旋转器在血管中游泳时，如果患者血管中有血栓，并且旋转器，所以中间旋转器实际上可以游到目标。当它与血栓接触时，因为旋转运动会产生

吸力，同时产生非常大的剪切力，这种剪切力基本上会使纤维蛋白结构致密化，我们可以将血栓的大小减少到其初始体积的 10% 以下，这完全是物理的，没有药物，没有药物，没有化学反应，什么都没有，完全基于与血栓的机械相互作用

好的，我们将在几分钟后休息一下。但在我们休息之前，我只想问一下，医生们喜欢这个未来吗？当您告诉他们这件事时，他们对此感到兴奋还是抵制？您说斯坦福大学有四五位。当您与他们谈论此事时，您听到的是兴奋还是紧张？绝对有很多兴奋。所以我正在与两位介入放射科医生合作。

神经介入放射科医生正在进行我刚才向您提到的项目。我可以看到，因为目前的科技已经存在，但它并不出色。医生们肯定希望看到新技术的出现。这是《万物未来》，我是 Russ Altman。接下来我们将与赵仁慧进行更多交流。

欢迎回到《万物未来》。我是 Russ Altman。我正在与斯坦福大学的赵仁慧交谈。在上一个环节中，仁慧告诉我们她制造的毫微机器人，它们如何能够在血管中，甚至在大脑中非常快速地导航和游泳。她还将告诉我们，人工智能和机器学习在她工作的过程中发挥着重要作用。

所以我想谈谈尺寸。我们将机器人视为相当大的东西。有些看起来像人类。有些是这些关节式机械臂，正在组装汽车。但我知道您已经对这些机器人到底需要多大以及这些东西的未来尺寸投入了大量思考。所以告诉我关于机器人尺寸的趋势以及您是如何为之做出贡献的。

是的，当然。这是一个很好的问题。所以当我们，当我们开始时，我举了一个用我自己的手臂的例子，对吧？所以这些，认为这是一个，传统的机械臂，就像一个人的机械臂一样。我们必须使用电机来驱动运动和自由度。对于医疗应用来说，我们正在，

基本上在人体内操作。我们不希望一个巨大的系统与组织和器官相互作用。因此，这就引出了一个想法，即我们能否缩小所有东西的规模，同时仍然保持其功能。所以

这就是工作的微型化方面。我们如何才能实现尺寸小且同时仍然具有功能的机器人系统？我认为这仍然是一个挑战，并且在许多领域仍然是一个悬而未决的问题。当然，我们正在研究用于金属应用的机器人的微型化，特别是现在我们正在研究血管内机器人系统，对吧？所以那真的……

该系统当然小于血管尺寸。否则，它将无法容纳。那么，当机器人如此之小时，我们如何才能使其仍然具有功能呢？特别是，我被您将需要解决电源问题所震惊。就像他们在做的事情……

您在采访的第一部分谈到了磁铁。然后显然这是一个好主意，因为这样您就不必安装电池和电机了。但我相信您还需要其他好主意。这确实是一个非常非常好的观点，Russ。我们使用磁场的原因是，磁场可以很容易地穿透人体。

例如，MRI 已经被广泛用于诊断。现在我们正在使用磁场来驱动机器人系统的运动，以应用医疗治疗。这更令人兴奋。这里的关键点是拥有一种类型的刺激，可以将控制单元和电源与机器人系统本身分开。

从机器人系统本身，对吧？所以与其拥有电机，它需要直接连接到实际驱动运动的机械机构。如果我们可以将控制单元

和电源与机器人本身分开。这就是机器人系统小型化的关键方法。除了磁场之外，我们还可以进行热激活来控制温度，然后利用温度变化来驱动运动，或者它可以释放化学物质，或者它可以……

在非常狭小的空间中进行导航的某种类型的运动。这是一个例子。或者电场。所以这些是我们可以考虑用于机器人小型化的不同刺激。您知道，我在想，我在骨科方面有一些经验

领域，在那里我观看了一些骨科手术，他们正在切割骨头，这些都是非常需要能量的活动。就像医生有时真的会出汗，因为他们工作非常努力。所以我可以想象这些电源将必须能够在某些情况下提供相当大的功率，因为您可以想象某些骨科手术将非常有吸引力，可以小型化

您知道，您漂浮在周围修复膝盖中的 ACL 或 MCL，但随后您需要相当多的能量。我们能够做到吗？就像，这些是电气系统还是磁性系统？它们是否已被证明能够提供这种力？是的，这实际上是一个非常好的讨论点。因此，当我们谈论不同功能的不同刺激时，我们需要知道我们想解决什么问题。

因此，目前对于这些基于磁场或热致动的系统，我们正在研究不需要大量能量的应用或特定功能。基本上，一个小动作或释放化学物质就可以完成工作。您刚才提到的，这是一个非常非常好的相反方面的例子。所以对于一个

具有非常坚硬的骨骼，并且您需要大量力量，而骨折则更是如此，对吧？所以您真的需要考虑这些因素来决定我们需要使用哪种类型的刺激来进行这些应用。太好了。我想……

因此，小型化非常令人兴奋，您让我们了解了这如何实现。我还想问一下人工智能和机器学习的作用。在这个播客中，我几乎与我交谈的每个人都对人工智能和机器学习感到震惊。所以让我诚实地问你一下，这是否改变了你工作的方式，还是没有那么多？当然。

这是一个很棒的问题。以前，它并没有太大改变我们的工作方式。当然，在我的实验室里，我们一直在尝试使用机器学习、AI 工具来指导某些项目的材料设计。但是随着人工智能的最新进展，我们开始意识到，特别是对于使用微型机器的这个特定主题，

机器人系统的微型化来治疗疾病，对吧？用于医疗应用。我认为在如何实现方面存在巨大的设计空间？所以我们，我们谈到了米勒旋转器，可以在血管中游泳的米勒机器人，对吧？这是一个结果。好的。我们有这种特定的设计结构，它可以在血管中游泳。太好了。所以游泳是一种能力，但是，呃，

我们能否优化结构设计，使其具有最佳性能，我们从未做过。我们从未做过。设计空间很大，对吧？它如何在不同粘度的流体中游泳，它如何在不同尺寸的血管中游泳，它们的行为都会有所不同。以前，我们只是，一切都是基于反复试验。

箭头方法。我们设计了一个结构。哦，它可以游泳。太好了。但是，谈到机器人的结构，它是一个完整的圆柱体。就像您提到的那样，它只是一个罐子，对吧？所以它是一个罐子，但它有一定的厚度。它上面有东西。有多少东西？它有横向狭缝，允许外部和内部流体的相互作用。所以所有这些设计参数大约有 20 多个。

靠我们自己，我们不可能找到最佳设计。因此，机器学习，我认为这在未来真的非常有用，可以指导设计的优化。然后我们也可以，所以考虑一下未来，因为这些机器人可以很容易地 3D 打印成不同的形状。我们可以设计一个专门为每个患者设计的系统。

例如，我们可以使用 X 射线来获取患者的 3D 脉管系统。通过观察血管的大小和所有内容，分布和弯曲度，我们可以使用机器学习和 AI 工具来设计最适合该特定患者的设计。哦，这太令人兴奋了。所以现在我们有了个性化机器人。

这些机器人是为了解决特定患者的导航难题而设计的。没错。我认为这将非常令人兴奋，它将彻底改变医疗保健的未来。这确实令人兴奋。我想问的最后一个问题，也许是最后一个问题是，你使用了“毫米机器人”这个词，你告诉我们这些机器人的直径为几毫米，长度为三到四毫米。

毫米级是你们的最终目标吗？还是你们认为微型或纳米级更有前景？因为我们有时会听到关于这些纳米机器人的消息。我不知道你是否认为这是一个完全不同的领域，或者这是否是你们感兴趣的追求方向。是的，这是一个很好的问题。有很多……

许多团队，事实上，这是一个非常非常大的领域，很多人都在研究微型机器人和纳米机器人。这些是更小的规模。当我经常在会议和大学做报告时，我经常会收到这个问题，

你认为毫米级尺寸已经足够小了吗？你是否考虑过进一步缩小它们？对。对。毫米级。所以我对这个问题的回答是，这实际上取决于具体的应用。例如，如果我们关注的是血管内环境，那么并非总是越小越好。

小是好的，只要它能适应。如果我的系统现在直径为2毫米，可以在血管中很好地游动，如果我们进一步缩小它，并不意味着它会具有更好的性能。因此，尺寸实际上取决于

我们正在寻找的操作环境。这是因为粘度等因素吗？当尺寸越来越小时，游泳变得越来越困难？对，还有边界条件，它与物体的相互作用方式。特别是我们谈到它可以游泳，但与此同时，我们希望它做一些事情。我们希望它能够发挥作用来治疗疾病。如果它太小，

它与血块的相互作用将非常具有挑战性。我们仍然需要一定的尺寸，并且需要它提供足够的驱动作用力来与血块相互作用。

像血块或脑动脉瘤这样的血块物体，如果太小，实际上是适得其反，所以目前你对毫米级的所有机会都非常兴奋，为什么不留在那里，在考虑其他规模之前优化该规模的性能呢？至少对你和你团队来说是的，而且……

回到机器学习和人工智能工具的话题，我认为设计空间巨大的原因是，游泳能力和治疗血栓、脑动脉瘤的所有能力都是由机器人的结构设计决定的。如果我们没有结构，那么如果我们考虑亚毫米级、微米级和纳米级，通常它会缩小到一个粒子，对吧？

因此，它们不再具有非常具体的或复杂的结构，因为这涉及到可制造性和这些挑战。因此，当我们仍然处于毫米级时，我们能够设计非常复杂的结构，这些结构可以实现许多功能。

这是一个很好的观点，大规模制造的工业能力在毫米级非常出色。我们的生活中有很多东西。我环顾我的办公室。它充满了毫米级的东西。因此，当你想到一个主意时，制造它的能力就在那里。

对。

感谢Renee Zhao。这就是机器人手术的未来。感谢您收听本期节目。您知道，我们有超过250集的《未来的一切》节目存档。因此，您可以收听关于许多许多事情的有趣讨论。如果您喜欢这个节目，请记住告诉您的朋友、同事、家人，以及您遇到的任何可能喜欢它的人。

个人推荐是扩大我们的受众并确保我们继续提供“未来的一切”的好方法。您可以在许多社交媒体平台上与我联系，包括LinkedIn、Threads、Blue Sky和Mastodon，用户名为R.B. Altman或Russ B. Altman，我将在那里分享每一集的内容。您也可以在社交媒体上关注斯坦福工程学院，用户名为Stanford School of Engineering或StanfordENG。

如果您想就本期节目或之前的节目提出问题，请通过电子邮件向我们发送书面问题或语音备忘录问题。我们可能会在未来的节目中重点介绍它。您可以将其发送至[email protected]。一个词，thefutureofeverything。没有空格、下划线或破折号。[email protected]。再次感谢您的收听。我们希望您喜欢这个播客。