神經(jīng)科學(xué)家Ilana Nisky博士

鈦媒體注：近年來，醫(yī)療機(jī)器人成為機(jī)器人領(lǐng)域研究熱點之一。手術(shù)機(jī)器人是一種智能外科手術(shù)工具。它借助精確的干預(yù)措施、本體結(jié)構(gòu)和智能控制系統(tǒng)等技術(shù)，能突破原有醫(yī)生的手眼限制，提高臨床操作準(zhǔn)確性和手術(shù)成功率。目前手術(shù)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)外科、腹腔外科、胸外科、骨外科、眼科、耳鼻喉、血管介入及顱面外科等醫(yī)療中。術(shù)后，也有不同種類的康復(fù)機(jī)器人正在研發(fā)，或已投入使用。目前有名的醫(yī)療機(jī)器人有達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)、ZEUS 機(jī)器人手術(shù)系、AESOP 機(jī)器人系統(tǒng)等。

本次2016年鈦媒體T-EDGE年度盛典邀請到醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人的專家，神經(jīng)科學(xué)家Ilana Nisky博士和我們分享醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人的最新科研成果。Nisky博士是以色列本古里安大學(xué)生物醫(yī)學(xué)智能機(jī)器人實驗室負(fù)責(zé)人及創(chuàng)建者，她的研究范圍包括人機(jī)工程學(xué)，神經(jīng)科學(xué)在機(jī)器上的應(yīng)用, 醫(yī)用手術(shù)機(jī)器人等。同時，她還任以色列醫(yī)藥及生物工程協(xié)會董事會成員，歐洲觸覺學(xué)學(xué)會委員會成員。至今，她已在世界級頂尖科學(xué)期刊發(fā)文 40 余篇，并獲多種國際獎項。2015年被以色列著名的財經(jīng)媒體The Marker評為“40位年度最具潛力青年”之一（ 40 Most Promising Young People of 2015）。

本古里安大學(xué)的機(jī)器人中心分三部分，國土安全機(jī)器人分部關(guān)注的是國防研究，生產(chǎn)和工業(yè)機(jī)器人分部負(fù)責(zé)研究生產(chǎn)、服務(wù)、管理，而ABC機(jī)器人部門主要研究和農(nóng)業(yè)、生物、認(rèn)知相關(guān)的領(lǐng)域。Nisky博士于兩年前牽頭組建的生物醫(yī)學(xué)智能機(jī)器人實驗室，也屬于ABC機(jī)器人部。

“ABC這個項目比較特殊的是，它除了在傳統(tǒng)領(lǐng)域開展機(jī)器人研究之外，現(xiàn)在也參與到了最先進(jìn)的機(jī)器人的研究領(lǐng)域，包括人機(jī)合作，環(huán)境保護(hù)設(shè)計 。我們的實驗室屬于環(huán)境工程部門，我和衛(wèi)生部門、心理學(xué)家、科學(xué)家、還有生命科學(xué)家都有合作，整個研究團(tuán)隊以跨學(xué)科合作的方式，推動研究走向更高階段。”

Nisky博士一頭卷發(fā)，談起自己的研究時神采奕奕。她有三個最大的研究興趣，一是醫(yī)學(xué)，二是機(jī)器人，三也是最重要的，神經(jīng)科學(xué)。基本上，如何利用神經(jīng)科學(xué)，提高人機(jī)互動體驗，提高機(jī)器人手術(shù)的效率，減輕患者病痛，是她目前的研究重心。

很長一段時間里，外科手術(shù)都是純?nèi)藶椴僮鳎@雖然有利于外科醫(yī)生了解病人體內(nèi)病情、結(jié)構(gòu)，但對患者來說可不是什么舒服事，疼痛和術(shù)后感染、并發(fā)癥都可能致命。幾十年前，嵌入性手術(shù)設(shè)備，如內(nèi)窺鏡的出現(xiàn)，減緩了部分因手術(shù)帶來的病痛，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?，F(xiàn)在，外科醫(yī)生開始機(jī)器人進(jìn)行合作。機(jī)器人可以極大減少人為因素對手術(shù)精準(zhǔn)度的影響（如手的抖動），并控制、移動患者體內(nèi)所安裝的這些設(shè)備。但目前，手術(shù)機(jī)器人還有很多缺點。它們較為笨重，被動地接受人為控制，缺少反饋機(jī)制，目前唯一能反饋給外科醫(yī)生的只有視覺信息。

醫(yī)療機(jī)器人目前有幾個活躍的研究方向。一是視覺限制（visual constrained ）。比如，通過給機(jī)器人做視覺上的限制，讓機(jī)器明白，患者身體的某一區(qū)域是絕對不能動的。 二是共享控制（Shared-control robotic systems）， 指的是一臺手術(shù)里，有一部分是人工主導(dǎo)的，一部分是機(jī)器主導(dǎo)的。在進(jìn)行手術(shù)的過程當(dāng)中，人和機(jī)器人進(jìn)行互動，共同完成手術(shù)。這是Nisky 教授的研究領(lǐng)域之一，通過神經(jīng)科學(xué)中的動作控制的測算模型，描述人的行為模式，利用這些模型來去提高和改善機(jī)器人的設(shè)計。三是人機(jī)互動的體驗，這也是Nisky教授的研究重點。

做一臺好手術(shù)不僅要靠眼。對經(jīng)驗豐富的外科醫(yī)生來說，手中醫(yī)療器具和患者肌體的觸感，也是他們作出準(zhǔn)確醫(yī)學(xué)判斷的重要依據(jù)。Nisky教授深知這點。因此，她想增強(qiáng)機(jī)器的反饋能力，讓外科醫(yī)生有更真實的手術(shù)感受，比如機(jī)器和肌膚的觸感等。

“在醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人研究領(lǐng)域，我們現(xiàn)在想做的就是盡可能開發(fā)多種傳感器，收集人機(jī)交互時各種不同的數(shù)據(jù)。我們并不是想讓機(jī)器人本身變得更智能，而是想讓人機(jī)互動的界面變得更友好，讓機(jī)器人更容易被操作，讓它們向人類提供正確的反饋信息，讓操刀者的行動盡可能自然。”

Nisky教授提到此前在斯坦福大學(xué)擔(dān)任博士后研究員時參與的一個研究。該項目想通過模仿皮膚和物體之間的觸感增強(qiáng)玩家體驗，提高游戲的真實度。 簡單來說，用手指按壓住某個物體時，手指會感到反作用力，皮膚也會感到摩擦力。人體對該力大小的反饋，會影響大腦對周遭環(huán)境是否真實的判斷。

換句話說，當(dāng)玩家在不使力的情況下觸碰了游戲中某一虛擬物件，還能感覺肌膚與物體的摩擦力，大腦就就會認(rèn)為那個物體是真實的，這種游戲體驗就很理想。同理，醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人在工作時，無論是人為操作還是機(jī)器自主操作，在設(shè)計是都要考慮到人機(jī)互動體驗，營造出一種真實感。如果手術(shù)過程中，機(jī)器和人都認(rèn)為，摸到了某一個組織，它就可以進(jìn)行下一步的動作，就好像是醫(yī)生的手就在那個位置一樣。

構(gòu)造這種真實性，很吸引人，也極具挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)之一來自機(jī)器人設(shè)計層面。任何遙控外科手術(shù)（Telesurgery），都會受到信息傳遞速度的影響。但即便用光纖電纜傳輸，信號也會延遲。比如，信息從美國傳到以色列，有15毫秒的延遲。這樣的延遲時間雖短，但已足夠影響外科醫(yī)生的手感。Nisky博士認(rèn)為，既然信號延遲問題是無法解決的，那么就應(yīng)接受它，把它當(dāng)成一種既成事實：

“目前已知的最高速度是光速，但既然光速都有延時，那么費心解決這個問題就沒有意義。我們不如換個角度，思考這種延遲對手術(shù)和操刀者可能造成的影響，修正它，使用戶受到的影響盡可能小。比如，外科醫(yī)生如果覺得某個角度操作，碰到人體組織的觸感比真實情況下更軟，機(jī)器無法給他真實的觸感，那么我們就增加一點摩擦力，讓他感受到和人體相似的肌肉反作用力，使其感受盡可能真實。在這個過程中，我們可以不斷更新算法，一直更新模型，讓機(jī)器去預(yù)判操刀者的行為并及時反饋。”

利用大腦認(rèn)知習(xí)慣解決技術(shù)難題，歷史悠久。電影、動畫等動態(tài)圖像的發(fā)明，靠的就是“視覺暫留”原理（Visual staying phenomenon）。早在1829年，比利時著名物理學(xué)家約瑟夫普拉多發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個物體在人的眼前電影放映機(jī)（15張）消失后，該物體的形象還會在人的視網(wǎng)膜上滯留一段時間，這一發(fā)現(xiàn)，被稱之為“視象暫留原理”。普拉多根據(jù)此原理于1832年發(fā)明了“詭盤”。“詭盤”能使被描畫在鋸齒形的硬紙盤上的畫片因運動而活動起來，而且能使視覺上產(chǎn)生的活動畫面分解為各種不同的形象。自此，電影的發(fā)明進(jìn)入到了科學(xué)實驗階段。如果從一開始人們就千方百計嘗試創(chuàng)造一個完美的視頻系統(tǒng)，可能到了現(xiàn)在電影、電視都不存在。作為一個神經(jīng)科學(xué)家，Nisky教授認(rèn)為，巧妙利用大腦處理信息的方式開發(fā)醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人，能解決很多技術(shù)難題：

“我們不需要創(chuàng)造一個完美的操作系統(tǒng)，但我們必須知道人腦需要什么樣的信息，是怎么接收、處理信息的，他在處理這些信息的時候，在人機(jī)交互操作時會有什么反應(yīng)，會作出什么行為。神經(jīng)科學(xué)在這個過程中可以發(fā)揮重大作用，我們可以了解用戶的認(rèn)知模型，讓他們接受機(jī)器人外科手術(shù)培訓(xùn)。同時，設(shè)計機(jī)器人時，我們也要增加傳感器，讓機(jī)器人了解人腦運作，和人的行為反應(yīng)模式。”

另一個挑戰(zhàn)在于機(jī)器學(xué)習(xí)。外科醫(yī)生本人的經(jīng)驗，和他們對機(jī)器人的熟悉程度都有深淺之分，從菜鳥到專家的學(xué)習(xí)過程，機(jī)器人和人都要經(jīng)歷。研究人員需要做的，是盡可能多地收集、分析每次人機(jī)互動的數(shù)據(jù)，優(yōu)化機(jī)器人的性能。 當(dāng)然，使用手術(shù)機(jī)器人，對醫(yī)生的技能也有要求，醫(yī)生的技能和技術(shù)的成熟度是相互影響的。比如，如何精準(zhǔn)控制手臂的動作，使之和手術(shù)刀的方向是一致，都很重要。

雖然還有很多未知的挑戰(zhàn)，但技術(shù)的快速迭代，醫(yī)療領(lǐng)域公眾意識的提高，都使Nisky教授對醫(yī)療機(jī)器人的未來發(fā)展非常樂觀。另外，她認(rèn)為跨學(xué)科合作是未來研究的方向。

幾天前，一份斯坦福大學(xué)出版的關(guān)于無人駕駛操控的研究成果被發(fā)表在《科學(xué)》雜志新刊Science Robotics （Motor learning affects car-to-driver handover in automated vehicles）上。 一般來說，手動緩慢駕駛的時候，方向盤每轉(zhuǎn)動15°，車輪才會相應(yīng)轉(zhuǎn)動1°。但每小時車速80或100英里的時候，方向盤每轉(zhuǎn)動1°，車輪會轉(zhuǎn)動2°。這項實驗讓志愿者們從正常的敏感度開始，接著逐級增強(qiáng)汽車轉(zhuǎn)向的敏感度，最后回到初始模式，可以明顯看到司機(jī)行為的轉(zhuǎn)變。

目前的無人駕駛技術(shù)，還不是全自動的，如果路上有緊急情況，可能需要馬上切換成人工駕駛。如果車主從停車場出發(fā)，接著用自動駕駛模式，當(dāng)遇到路面緊急狀況時，他們對輪子轉(zhuǎn)動角度的感覺也許還和在停車場的感覺一樣，這種錯誤的判斷就有可能釀成事故。這是一個比較基礎(chǔ)的汽車操控研究，但Nisky教授認(rèn)為， 這個研究成果對機(jī)器的自動化和人機(jī)互動很有啟發(fā)：

“這個研究看來和我們做的實驗好像關(guān)系不太大，但是它給了我們很多靈感。 現(xiàn)在這種跨學(xué)科跨領(lǐng)域的交流更令我興奮。我們有很多可以互相借鑒的地方，很多學(xué)科、行業(yè)的共同目標(biāo)是讓機(jī)器更好地學(xué)習(xí)，所以這種合作是很棒的。 ”

（本文獨家首發(fā)鈦媒體，記者/元婕）

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