【編者按】上海交通大學(xué)與上海第二醫(yī)科大學(xué)強(qiáng)強(qiáng)合并20年來(lái)，學(xué)校專門設(shè)立“醫(yī)工交叉”研究基金，通過持續(xù)搭建平臺(tái)、探索機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)與理工科的深度交叉，培育出多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研成果，為學(xué)校整體實(shí)力和學(xué)科建設(shè)水平實(shí)現(xiàn)跨越式提升提供了有力支撐。為反映全校在醫(yī)工交叉領(lǐng)域的探索經(jīng)驗(yàn)和取得的不凡成就，新聞網(wǎng)將陸續(xù)刊發(fā)其中的優(yōu)秀案例，以期梳理發(fā)展歷程、總結(jié)實(shí)踐真知，進(jìn)一步激勵(lì)廣大教職醫(yī)務(wù)工作者深耕交叉融合領(lǐng)域，為推動(dòng)科技創(chuàng)新、醫(yī)學(xué)發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)健康中國(guó)戰(zhàn)略作出新的更大貢獻(xiàn)。

徐凱，工學(xué)博士，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，北京術(shù)銳機(jī)器人股份有限公司創(chuàng)始人。于2001年和2004年在清華大學(xué)獲學(xué)士和碩士學(xué)位，于2009年在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)獲博士學(xué)位，其間獲哥倫比亞大學(xué)最高獎(jiǎng)學(xué)金。自博士畢業(yè)加入上海交通大學(xué)以來(lái)，徐凱一直致力于醫(yī)療機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的研究，在機(jī)器人輔助腔鏡手術(shù)系統(tǒng)、可穿戴式機(jī)動(dòng)外骨骼輔助康復(fù)治療、用于心血管和顱內(nèi)手術(shù)的微型機(jī)器人等方面均獲得較大突破。獲國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、北京市海聚工程特聘專家、上海市浦江人才、上海市青年科技啟明星等項(xiàng)目或榮譽(yù)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)項(xiàng)目1項(xiàng)。發(fā)表SCI/EI論文100余篇，獲中外發(fā)明專利授權(quán)80余項(xiàng)。曾任世界機(jī)器人學(xué)頂級(jí)期刊IEEE Transactions on Robotics副主編，現(xiàn)任中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì)人工智能和醫(yī)用機(jī)器人工作委員會(huì)第二屆副主任委員、第一屆醫(yī)用機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)歸口單位專家組成員、中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì)應(yīng)用評(píng)價(jià)分會(huì)第一屆委員、中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)醫(yī)用機(jī)器人工程與臨床應(yīng)用分會(huì)委員、上海市醫(yī)師協(xié)會(huì)第一屆醫(yī)學(xué)機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)委員等職務(wù)。

醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人的起源可以追溯到1985年，當(dāng)時(shí)美國(guó)西北大學(xué)使用一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行輔助定位，完成了腦部活檢手術(shù)。這一事件是手術(shù)機(jī)器人技術(shù)的開端。1992年，美國(guó)IBM公司和加利福尼亞大學(xué)合作開發(fā)的機(jī)器人ROBODOC完成了關(guān)節(jié)置換手術(shù)。30多年來(lái)，手術(shù)機(jī)器人已越來(lái)越多地應(yīng)用于外科手術(shù)，尤以1999年誕生的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在全球的影響及應(yīng)用最為廣泛，在手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域占據(jù)壟斷地位。2023年6月，徐凱團(tuán)隊(duì)研發(fā)的中國(guó)首臺(tái)單孔腔鏡手術(shù)機(jī)器人獲國(guó)家藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)上市，打破了達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的神話，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)內(nèi)窺鏡單孔手術(shù)系統(tǒng)。

聚焦醫(yī)工前沿，手術(shù)機(jī)器人從科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)

徐凱的研究之旅始于對(duì)人形機(jī)器人的探索。在本科與碩士階段， 他深入研究了人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。帶著專業(yè)所學(xué)以及對(duì)更具實(shí)用價(jià)值研究方向的追求，他在2004年踏上了前往美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的留學(xué)之旅。在那里，他有幸?guī)煆娜蚴中g(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的先驅(qū)——Russell Taylor教授。2004年正好是達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在臨床嶄露頭角的時(shí)候，在敏銳的行業(yè)洞察和Taylor 教授的影響下，徐凱開始將目光聚焦于手術(shù)機(jī)器人這一細(xì)分領(lǐng)域，并進(jìn)一步深化了他在醫(yī)工交叉領(lǐng)域的研究。徐凱認(rèn)識(shí)到，單純模仿當(dāng)時(shí)已初具規(guī)模的多孔腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人，不僅難以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與突破，而且在兼顧臨床便利性的同時(shí)超越前人的研究成果更是難上加難。面對(duì)單孔手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的相對(duì)空白，他毅然選擇了這一最具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。在留學(xué)經(jīng)歷的啟發(fā)下，他在2009年獲得博士學(xué)位回國(guó)后入職上海交通大學(xué)，并全身心投入對(duì)單孔機(jī)器人的研究中。

徐凱加入上海交通大學(xué)后繼續(xù)單孔手術(shù)機(jī)器人的相關(guān)研究

相較于傳統(tǒng)多孔腹腔鏡手術(shù)，單孔腹腔鏡手術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。對(duì)于患者，單孔腹腔鏡手術(shù)創(chuàng)傷更小，有助于術(shù)后快速恢復(fù)；對(duì)于醫(yī)生，單孔手術(shù)機(jī)器人同樣可以實(shí)現(xiàn)多孔機(jī)器人手術(shù)動(dòng)作精準(zhǔn)、靈活的特性，在完成高質(zhì)量治療的同時(shí)，降低了體力勞動(dòng)強(qiáng)度與操作難度，幫助醫(yī)生完成以前手動(dòng)單孔很難完成的高難度手術(shù)。

“醫(yī)工合作代表了原創(chuàng)，代表了前沿。”徐凱認(rèn)為，用工程技術(shù)解決臨床需求的意義重大。

然而，盡管單孔腹腔鏡手術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在研發(fā)時(shí)仍面臨一系列挑戰(zhàn)。由于單孔手術(shù)中“單孔”的特性，蛇形臂的擺位與運(yùn)動(dòng)控制、如何根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)選擇打孔的最佳位置、如何實(shí)現(xiàn)創(chuàng)傷最小化與預(yù)后最優(yōu)化、如何在手術(shù)過程中保護(hù)神經(jīng)血管等都是難題。但徐凱沒有被這些問題嚇退，而是在單孔手術(shù)機(jī)器人的研究領(lǐng)域中迎難而上。

醫(yī)療器械“闖關(guān)”臨床考驗(yàn)，交大力量為原創(chuàng)技術(shù)插上翅膀

“在研發(fā)單孔機(jī)器人的過程中，最激動(dòng)人心而又令人難忘的莫過于這一醫(yī)療器械的臨床使用。”使用單孔機(jī)器人進(jìn)行操作，由于只開一個(gè)小孔，對(duì)蛇形臂的擺位、運(yùn)動(dòng)控制等提出了更高的要求。徐凱就此和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院的眾多有豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生有過許多次交流和探討，比如，手術(shù)怎么樣能夠在創(chuàng)傷最小化的同時(shí)治療疾病、如何保證患者的安全、到了血管附近怎么處理、如何保護(hù)神經(jīng)和血管等。

但僅有科技支撐、臨床研究，單孔機(jī)器人還不足以惠及更多的患者和醫(yī) 生，從科研成果到成熟產(chǎn)品，離不開學(xué)校對(duì)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的一貫支持。2017年初，徐凱與上海交通大學(xué)簽訂了科技成果自主轉(zhuǎn)化協(xié)議，正式開始將單孔機(jī)器人提上產(chǎn)品研發(fā)的日程，但這條路遠(yuǎn)比想象中困難。“針對(duì)臨床產(chǎn)品的研發(fā)和以前在實(shí)驗(yàn)室里做的研發(fā)相比，對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)程度的要求不可同日而語(yǔ)。”徐凱表示。

首先，針對(duì)產(chǎn)品研發(fā)，要滿足30多個(gè)中外標(biāo)準(zhǔn)，通過七八百個(gè)測(cè)試項(xiàng)， 與實(shí)驗(yàn)室里的樣機(jī)有天壤之別。其次，針對(duì)臨床使用，產(chǎn)品也必然要滿足高頻高壓等特殊環(huán)境下無(wú)菌、可靠性和使用壽命的需求，需要具有絕對(duì)過硬的質(zhì)量。

在研發(fā)過程中，如何精確和快速地計(jì)算蛇形手術(shù)器械的變形量是一個(gè)難點(diǎn)。蛇形手術(shù)工具的形變是由超彈性鎳鈦合金細(xì)桿的協(xié)同形變實(shí)現(xiàn)的，屬于彈性動(dòng)力學(xué)范疇的問題。徐凱團(tuán)隊(duì)積累了大量的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，為后期產(chǎn)品的工程化落地提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

內(nèi)窺鏡單孔手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用在臨床中

徐凱表示，蛇形手術(shù)工具的原創(chuàng)技術(shù)是單孔機(jī)器人最大的優(yōu)勢(shì)。依托這一原創(chuàng)技術(shù)，他所牽頭和參與的醫(yī)工交叉項(xiàng)目取得了許多傲人的成果。項(xiàng)目的合作者之一，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院副院長(zhǎng)趙任教授不僅在專業(yè)領(lǐng)域頂刊International Journal of Surgery上發(fā)表了論文，而且在2024年6月18日成功完成了國(guó)產(chǎn)單孔手術(shù)機(jī)器人首例跨越中美兩國(guó)的5G遠(yuǎn)程動(dòng)物胃大部切除術(shù)——這是達(dá)芬奇單孔手術(shù)機(jī)器人自2018年在美國(guó)上市以來(lái)至今都未能完成的。

操作簡(jiǎn)單才會(huì)更加安全，目標(biāo)一致方鑄手術(shù)“神兵”

“醫(yī)工交叉對(duì)于產(chǎn)生真正適合疾病治療的科研成果有非常大的作用。”在數(shù)次醫(yī)工合作后，徐凱得出了這樣的結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)想的很多認(rèn)為能夠保障安全的東西，到了臨床上都被醫(yī)生們?cè)嵅〔僮鲝?fù)雜、存在隱患，因?yàn)榕R床上的東西有些時(shí)候并不是越復(fù)雜就越安全，而是操作越簡(jiǎn)單了才越安全。“臨床需求和工程背景的科研團(tuán)隊(duì)所想的東西可能完全不一樣。如果沒有醫(yī)工交叉，單純工科方向的研究再多，所想的東西也可能與臨床需要南轅北轍。”臨床經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生幫助團(tuán)隊(duì)及時(shí)調(diào)整研發(fā)思路，使得科研成果不再是紙上談兵，而是成為真正投入手術(shù)實(shí)踐的趁手“兵器”。

“神兵”的締造高度依賴醫(yī)工雙方目標(biāo)一致。“如果我想做的東西跟他想做的東西不在一個(gè)頻道上，那自然合作不起來(lái)。所以還是要有一個(gè)共同的目標(biāo)，有一個(gè)共同的興趣，這能夠促成比較長(zhǎng)久的合作。”徐凱認(rèn)為。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，共同興趣最牢固的基礎(chǔ)，是共同價(jià)值、共同理念。對(duì)于醫(yī)者來(lái)說，生命所托，責(zé)任在肩；對(duì)于工程師來(lái)說，希望通過科技讓人們的生活更加美好。在合作中，當(dāng)這種神圣職責(zé)和使命意識(shí)共通相融，醫(yī)工同路才走得更遠(yuǎn)、更穩(wěn)、更有力量。

徐凱向研發(fā)團(tuán)隊(duì)介紹手術(shù)機(jī)器人發(fā)展歷程

談到下一個(gè)研發(fā)重點(diǎn)，徐凱透露，所申請(qǐng)的新一期醫(yī)工交叉項(xiàng)目將致力于打破超聲刀的剛性直桿結(jié)構(gòu)，研發(fā)一種可彎超聲刀，更好地實(shí)現(xiàn)與蛇形手術(shù)工具的兼容。值得一提的是，世界上還沒有類似的醫(yī)療器械。如果可彎超聲刀能夠研發(fā)出來(lái)，將會(huì)有更多的手術(shù)采用單孔的方式進(jìn)行，減少患者手術(shù)和恢復(fù)的痛苦，這無(wú)論對(duì)學(xué)術(shù)還是對(duì)社會(huì)都將產(chǎn)生巨大的價(jià)值。

原文鏈接：[交叉融合 醫(yī)工同行]徐凱：超越“達(dá)芬奇”——國(guó)內(nèi)首個(gè)單孔手術(shù)機(jī)器人誕生