Американскими учеными изобретен робот-хирург

Роман Усатов-Ширяев, Robotikum: о роботе-бабочке, хирурге — и о том, что у них общего

Роботизация показывает рост и на производствах, и в жизни обычных граждан. К примеру, в мире уже более 20 млн роботов-пылесосов, которые стремительно дешевеют в силу увеличения конкуренции. Генеральный директор группы Robotikum Роман Усатов -Ширяев рассказал «Хайтеку» о будущем робототехники в мире и уникальных разработках компании в сфере роботов-манипуляторов .

Роман Усатов -Ширяев — генеральный директор группы Robotikum. Родился в Кирове . Окончил физический факультет СПбГУ в 1994 году.

«Образовательная робототехника » — резидент фонда «Сколково» , представленный на международном рынке брендом Robotikum. Ядро компании составляют представители Санкт-Петербургского политехнического университета ( СПбГПУ ), шведского университета Umea, норвежского NTNU (Университета науки и технологий) и Санкт-Петербургского государственного университета . Компания ведет свою деятельность с 2011 года, лаборатория компании с 2015 года находится в СПбГПУ .

Как контактное жонглирование вдохновило на создание нового вида роботов

— Как возникла идея создать робота в виде бабочки?

— Человек совершает разные движения. Их можно разбить на две большие группы — манипулирование с захватом и манипулирование без захвата. Например, играет баскетболист — он манипулирует мячиком. Мяч большой и в ладонь не помещается, поэтому спортсмен манипулирует наклоном ладони, скоростью и силой, которую прикладывает к мячу.

Ученые задались вопросом, почему в технологически развитом обществе нет подобных роботов. Кевин Линч , на тот момент аспирант Университета Карнеги-Меллона, сформулировал модельную задачу создания системы управления роботом-бабочкой, вдохновившись контактным жонглером Майклом Мошеном. Мошен изобрел такой вид жонглирования, когда не подкидывают предметы, а перекатывают их. Там есть такое движение: перекатывание шарика с одной стороны ладошки на другую через пальцы. Это движение называется «бабочкой». Отсюда пошло и название робота.

Майкл Мошен — американский жонглер. В 1980-х развил концепцию контактного жонглирования. Техника основана на взаимодействии тела и объекта друг с другом. Визуально кажется, что шарик движется сам по себе, парит над руками.

Движение «бабочка» — одно из базовых в контактном жонглировании. В киномюзикле «Лабиринт» 1986 года Дэвид Боуи выполняет трюк с прозрачным шаром. На самом деле жонглировал Майкл Мошен, стоящий за спиной Боуи .

Университет Карнеги-Меллона — частный университет и исследовательский центр, расположенный в Питтсбурге, США . В 2018 году занял первое место в подготовке компьютерных специалистов в Штатах.

Кевин Линч — профессор Северо-Западного технологического института, США . Директор и основатель Центра робототехники и биосистем.

Трудно смоделировать это движение: нужно четко контролировать скорость за счет наклона ладошки, ускорение можно придать шарику, только подгоняя его по определенному углу наклона. Но мы в 2009 году придумали математический метод — как решать подобные задачи. Правда, тогда мы не знали, что много людей уже пытались решить эту задачу, и у них ничего не вышло.

— В чем заключается основная технология этого робота?

— У нас получился такой гейм: восьмерка, по которой шарик должен закатиться в горку или скатиться с нее. Ускорение шарика меняется, и нужно за счет обратной связи, в данном случае камеры, компенсировать это ускорение двигателем. Ускорять движение либо тормозить так, чтобы шарик не упал.

Если известна траектория, по которой нужно манипулировать объектом, алгоритмы управления механикой компенсируют внешние возмущения, если они возникнут на пути следования.

Представьте себе, летит беспилотный коптер или самолет из точки А в точку Б по определенной траектории. У него отказывает один из двигателей. Это и будет внешнее возмущение. Или дует боковой ветер, или дорога скользкая. Благодаря датчикам система компенсирует отклонение объекта и вернет его на исходную траекторию.

В случае с беспилотником боковой ветер будет компенсирован поворотом двигателей или их мощностью. Если автомобиль скользит и начался занос, колеса будут вращаться так, что быстро вернут его в исходное положение.

— Насколько точные движения можно осуществлять такими алгоритмами?

— Приведу пример с человеческой рукой. Например, робот-хирург должен резать скальпелем тело. Тело чуть прогибается под ножом, система распознает это как некое возмущение и автоматически компенсирует усилие и скорость в режиме реального времени. И разрез будет идеально ровным.

Манипуляторы, которые уже существуют, управляются хирургами, они не делают операции автономно. А операция, которую я описал, может быть сделана без участия человека. Наша бабочка показывает, что эти методы работают.

Как точные модели помогут роботам делать ювелирную работу

— Какие еще разработки вы ведете, кроме робота-бабочки?

— Основная концепция нашего изобретения заключается в том, что мы можем моделировать движение манипуляторов до их создания. И эти модели будут высокой точности, по сути, это «цифровой прототип».

То есть вместо того, чтобы делать манипулятор, а потом заниматься его движением, сначала моделируем движение, а под него создаем компоненты для физической реализации. Эти компоненты представлены в широком диапазоне: много разных комплектующих.

Проект, над которым мы работаем, связан с адаптивной полировкой лопаты компрессора. Все двигатели состоят из большого количества лопаток, похожих на лопасти вентилятора. Они насаживаются на вал и там крутятся, это их основная задача. От качества финишной обработки лопатки зависит эффективность работы двигателей. Все этапы, кроме финишной полировки, люди научились делать автоматически. Лопатки автоматически отливаются, первично химически обрабатываются. А на последнем этапе в руку ее берет человек и делает финишную полировку. Похоже на то, как точат ножи на шлифовальном круге. Это практически ювелирная работа.

Эта операция нигде в мире не роботизирована в силу того, что нет роботов, способных точно почувствовать, где сильнее и как точнее приложить лопатку к шлифовальной ленте, где ослабить нажим и с какой скоростью провести. Мы разрабатываем роботизированную ячейку, которая без участия человека будет полировать лопатки.

— Где еще можно применить такие точные манипуляции?

— Тот же робот может делать медицинскую диагностику. Сейчас вы приходите в медицинский кабинет, и медсестра берет в руки сканер. В зависимости от того, что вам нужно продиагностировать, прикладывает сенсор и начинает водить по вашему телу, смотрит на экран.

Мы работаем над проектом, который убрал бы человека из этой операции. Вы приходите в кабинет, робот распознает, мужчина вы или женщина, какая у вас конституция, где нужно приложить к телу сенсор. Очень важно, чтобы человек вышел оттуда живой. Чтобы робот людям ребра не сломал, ничего не повредил.

У нас огромная страна, а люди живут в узкой полоске. На многих территориях машины могли бы заменить людей. Хорошо бы создать роботов, которые без участия человека будут валить лес, добывать полезные ископаемые или обслуживать морской путь.

А наша бабочка — кейс для образовательного курса, который состоит из достаточно жесткой математики, понятной магистрантам старших курсов.

В аналитическом отчете лаборатории робототехники Сбербанка за 2018 год говорится, что рынок промышленной робототехники вырос на 12% за последние пять лет, это больше, чем рост мирового ВВП. Наибольший вклад в этот рост внесла активная роботизация китайских производств.

Рынок сервисной робототехники рос еще быстрее. Общий объем рынка профессиональных сервисных роботов достиг $4,7 млрд в 2016 году.

91% всех промышленных роботов работали в отрасли обрабатывающей промышленности.

— В каких вузах это преподают?

— За прошедшие два года мы внедрили программу в несколько университетов США и Европы. Сначала это были университеты Монпелье ( Франция ), NTNU ( Норвегия ), Королевский технологический институт в Стокгольме , Университет Умео в Швеции , Университет Сапиенца в Риме и Университет Федерико II в Неаполе . Этой весной прочитали краткие курсы в университете MIT (Массачусетский технологический университет), Университете Мичигана , Университете Торонто и вот, наконец, в этом году решили прочитать курс на мехмате МГУ в России .

Почему в России возможно сотрудничество и сколько стоит создание роботов

— Как достигаются все критерии безопасности роботов — чтобы они никого не могли убить?

Читать еще:  Какую лучше выбрать цифровую приставку к телевизору

— Для каждой отрасли существует процедура разработки медицинских приложений. Представьте себе, что с помощью нашего подхода можно сделать роботизированную ногу, которую можно купить в магазине, а ПО и алгоритмы подстроятся уже под конкретного человека. Подбираете протез по размеру ноги, а она интегрируется и понимает, как вам оптимально устоять на ногах и переносить тело.

Роботизированных приложений можно сделать очень много, но для каждого приложения требуется работа с отраслевым партнером-заказчиком. Мы возлагаем надежды на сертификацию таких разработок и компании, которые заказывают нам такие разработки. Мы создаем библиотеку движений, доводим до промышленного образца, а задача компаний-заказчиков — запустить их реализацию.

Робот-бабочка не требует сертификации. Мы берем сертифицированные компоненты для его сборки. Эта установка безопасна и доступна для обучающихся пользователей.

Мы создавали робота, с которым человек мог бы работать, выдвигать гипотезы и проводить эксперименты с максимальной безопасностью.

— Robotikum — резидент «Сколкова». Но ваши разработки имеют больший спрос за рубежом, чем в России . С чем это связано?

— У нас в стране очень сдержанное отношение к робототехнике и устоявшаяся инженерная школа, которая до недавнего времени считала, что любого робота можно сделать за счет подбора механизмов и двигателей. Традиционно считается, что главное — это компоненты, железо, а самый главный человек в робототехнике — инженер-конструктор.

Мы немножко ломаем стереотипы. На Западе чуть раньше пришли к мысли, что компонентная база уже опередила в возможностях алгоритмы, которые должны управлять элементами в системе. За рубежом более пристально следят за новшествами и смотрят в сторону алгоритмов управления движением. Новые подходы по их построению, разработанные у нас недавно, в Европе и Америке были смоделированы два, а то и четыре года назад.

— Выгодно ли создавать рынок робототехники ? От чего зависит цена на роботов и сколько стоят ваши устройства?

— Если мы разрабатываем уникальный механизм, он будет стоить дорого. Я всегда привожу в пример Царь-пушку и Царь-колокол. Это впечатляющие артефакты, но они были очень дороги в изготовлении и не масштабируемы. Нас же интересуют роботы, которые будут помогать в повседневной жизни. Но возможности под каждого конкретного человека создавать отдельного робота нет. И если мы моделируем движение, строим такое управление, которое работает на различных типах манипулирования, то конечное изделие будет стоить очень дешево.

Преимущество России , в частности экосистемы Фонда «Сколково» — в коллаборациях. На Западе университеты не склонны к коллаборациям, они хотят всё разрабатывать внутри себя. В России сотрудничество возможно. До конца года собираемся запустить сетевую лабораторию, объединив на нашей платформе специалистов центров разных университетов по математическому моделированию движений. Это существенно ускорит процесс разработки самой теории и новых продуктов.

Разработка любого робота, который решает какую-то полезную задачу, требует десяти подготовленных человек и двух лет работы. Тогда из теории появится конечный продукт: робот, который будет работать на производстве, в медицине, помогать человеку в повседневной жизни.

Когда нет рынка, выгоднее его создавать. Различные исследовательские группы в университетах сфокусированы на разных приложениях. И, если есть университет, который сфокусирован на технологиях управления беспилотными летательными аппаратами, то мы обучим их нашей теории и не претендуем на аппарат, который они создадут. Это им поможет создать конкурентоспособный продукт.

По данным IFR, повышенный спрос на роботов провоцирует уменьшение их стоимости. В 2016 году в среднем за промышленного манипулятора просили $45 500, год спустя средняя цена опустилась $44 000. При этом спрос на дешевый сегмент занимает всё большую долю рынка.

Робот, работающий вместо человека — дело недалекого будущего

— Как должны выглядеть роботы, предназначенные для обучения, медицины или других целей?

— Для каждой сферы они выглядят по-разному. Но у всех должен быть человекоориентированный интерфейс. Например, человек хочет оставаться активным до конца своих дней, но тело дряхлеет. И у него возникают определенные этические проблемы, требуется уход. Удобно, чтобы безликая железяка так же нежно, как человек, смогла бы приподнять, причесать старушку, сделать ей маникюр, усадить на кресло-качалку и вывезти в свет. Дала возможность пообщаться как полноценный человек. А потом бы привезла обратно, расстелила кровать, умыла и пожелала на ночь спокойного сна. В этом случае робот должен иметь какие-то черты человека, чтобы нам было приятно воспринимать его как помощника.

Если мы рассматриваем робота-работника склада, то не обязательно, чтобы он выглядел как человек. Здесь важно, чтобы предмет был перемещен из пункта А в Б и по дороге не разбился. Amazon показывает, что различные платформы и тележки прекрасно с этим справляются.

Дизайн и конструкция определяются исключительно практической стороной. Чтобы робот был оптимальный по цене и функционалу. Но нас окружает антропоцентричный мир: дверные ручки находятся на определенной высоте, ступеньки сделаны под шаг человека. Поэтому логично сделать человекоподобным робота-помощника , если мы хотим, чтобы он и грибы собирал, и купался с нами, и в лифте ездил.

Ученые создали робота размером с пылинку. Брюс Дональд из Дартмутского Колледжа сделал своего наноробота полностью автономным и управляемым, при этом размеры устройства составляют 0,25 мм в длину и 0,06 мм в ширину. Пока он может перемещаться только по специальной поверхности, через которую и получает питание.

Гигантского робота высотой 8,5 м создал Масааки Нагумо, инженер японской сельскохозяйственной компании Sakakibara Kikai. Изобретатель вдохновлялся любимым аниме и собрал робота для удовольствия: гигант не может покинуть стены завода, потому что не проходит в двери. Гигант ходит вперед-назад, поворачивает тело вокруг своей оси, а также стреляет поролоновыми шариками из пушки.

— В какой деятельности и профессиях роботы всё же заменят людей?

— Робототехника раскрывается в разных областях. Мы смотрим на нее с точки зрения задач манипулирования. Любые сложные задачи, где умение управлять человеческой рукой является критичным. Прежде всего это какие-то опасные производства. Вредные не по технологическому процессу, а по условиям.

В частности, где нужно работать в холоде или некомфортных условиях. Чтобы человек работал на Дальнем Востоке, нужна социальная инфраструктура — транспорт, дороги, дома, школы, электричество и прочее. Но если там будут роботы, которым такие условия не нужны и которые могут работать как человек или лучше, вопрос будет решен. Такие перспективы существуют, это дело не совсем далекого будущего.

На игле у США: российский робот-хирург остался без поддержки

МОСКВА, 6 апр — РИА Новости, Лариса Жукова. В России появился прототип новейшего ассистирующего роботохирургического комплекса. С его помощью можно не только проводить высокоточные операции даже на расстоянии, но и полностью заменить невероятно дорогой американский аналог – в стране и мире. Проблема в том, что разработку могут перекупить быстрее, чем она получит поддержку государства. Подробнее – в материале РИА Новости.

Роботы для продолжения рода

Роботы-ассистенты в хирургии не фантастика, а необходимая обыденность. В США – локомотиве и пока монополисте медицинских роботов – свыше 80% всех урогинекологических операций проводят с помощью «умных машин». Технологии продвигают именно урологи, а не нейрохирурги. Перед ними стоит серьезная задача: сохранить не только орган, но и его функцию.

– Когда мы «замахиваемся» на то, чтобы сохранить потенцию, функции прямой кишки, удержания мочи, нам необходим высокоточный робот с хорошей визуализацией, – объясняет доктор медицинских наук и заведующий урологическим отделением клинической больницы №50 при МГМСУ им. А. И. Евдокимова Павел Раснер.

Одна из самых частых – операция по удалению рака простаты – нередко приводит к тому, что мужчина теряет до полутора литров крови. Это чревато и проблемами с потенцией и, как следствие, проблемами в семье, говорит директор Института конструкторско-технологической информатики РАН Сергей Шептунов.

Ученый досконально изучил преимущества робота-ассистента, чтобы создать аналог: машина уменьшает риск кровопотери до 50 миллилитров, замечает и обходит важные нервные окончания органов. Поэтому, например, после операции на предстательной железе 84% мужчин не получают никаких осложнений.

Кроме того, роботы-хирурги позволяют сократить время пребывания в больнице в разы и сэкономить на выплатах пособий по инвалидности – это выгодно для любого государственного бюджета, отмечают врачи.

Читать еще:  Как подключить газовую плиту к баллону

В 2000 году американцы создали систему da Vinci. Над роботом-ассистентом в хирургии они работали десять лет. Долгий труд и значительные вложения окупили себя: da Vinci является монополистом на рынке медицинской робототехники. Общий доход только за 2015 год превысил два с половиной миллиарда долларов. Стоимость одного аппарата доходит до четырех миллионов долларов. Отдельно от оборудования закупается программа и одноразовые инструменты.

В России таких роботов – около тридцати. По грубым подсчетам, наша страна потратила на американские машины свыше ста миллионов долларов. Финляндия и Китай уже отказались от покупки систем da Vinci: их содержание разоряло бюджет.

– Это многомиллиардный бизнес, и мы невольно стали его частью. Именно поэтому мы поставили нашим инженерам задачу создать качественно новую машину, – поясняет профессор Дмитрий Пушкарь, главный уролог Минздрава.

В клинической больнице №50 под его руководством врачи провели полторы тысячи операций с помощью da Vinci. Медики хорошо изучили достоинства и недостатки «американца», поэтому обратились к отечественным ученым с критикой существующей системы и пожеланиями к новой.

Ответ России

Над ответом американскому монополисту академик Шептунов и его команда работали три года. В минувшую среду российские ученые представили компактный аппарат, который превзошел аналог из США.

Манипулятор (часть робота, которая проводит саму операцию) da Vinci размером в полтора метра и весит больше тонны. Российский манипулятор – четыре килограмма и 20 сантиметров в длину. Его размеры позволяют беспроблемно перевозить его по огромной стране – туда, где требуется срочная операция.

Точность маниупляций американской машины – целых 500 микрон, что не дает проводить операции детям, российского же аналога – всего пять микрон, что позволяет работать даже на клеточном уровне (размер клетки – около десяти микрон).

Платформа позволяет настроить робота не только под задачи урологов, но и для нейро- и кардиохирургов, абдоминальных и вертебральных врачей. А оригинальная архитектура дает возможность присоединять любые инструменты к манипулятору в необходимом количестве и работать даже без монитора – в одних 3D-очках. Кроме того, у российской машины есть возможность подключения систем искусственного интеллекта.

– Особенно мы гордимся полностью цифровой системой управления, в отличие от аналоговой da Vinci. Теперь мы можем сделать каждый робот индивидуальным. По отпечатку пальца машина опознает врача и дает доступ к более или менее широкому спектру операций, запоминает и воспроизводит все его движения, – рассказывает академик Шептунов.

До востребования

Конкурентов у российской разработки немало. Свыше пятидесяти фирм со всего мира претендуют занять место da Vinci. Всего же зарегистрировано минимум десять тысяч патентов в области роботохирургии. На разработки уходят миллиарды долларов. Только американская компания TransEnterix потратила 220 миллионов долларов на создание аналога робота-хирурга. Достичь успеха российских ученых еще не удалось.

Ни один процент из этих миллионов не был потрачен на отечественный аппарат, сетует профессор Пушкарь. Но инженерам удалось обогнать зарубежных коллег благодаря опыту в станкостроении, объясняет академик Шептунов: «Наши приборы имеют точность в три микрона при нагрузке в несколько тонн. Мы опирались на наследие колоссальной школы отечественной механики, которой нет на западе. Ее оберегает Виктор Глазунов, директор Института машиноведения им. А. А. Благонравова Российской академии наук».

– Сергею Александровичу природная скромность не позволяет сказать, что инженерный лидер – это он, – подходит старший научный сотрудник ИКТИ РАН Александр Шурко. – Та группа молодых инженеров, которые работают под его руководством, – золотой коллектив. Самому старшему – 26, младшему – 20 лет. Трудятся, как во время войны: сон-работа, многие – за интерес.

Российский робот может выйти на рынок и заменить американский, отмечает вице-президент фонда «Сколково», руководитель кластера биомедицинских исследований Кирилл Каем. По его словам, при коммерциализации разработка принесет миллиарды долларов. Осталось только провести дальнейшие испытания, запатентовать аппарат и придумать название.

На это нужны деньги. Их у ученых нет. ФАНО и правительство Москвы выделили грант на фундаментальную разработку, но средства закончились – сейчас новый этап развития. Предложение о сотрудничестве поступило лишь от одного ведомства – Минпромторга, которое предложило «кредит на выгодных условиях». Если ученые не найдут деньги, разработку либо выкупят и запатентуют иностранные компании, либо просто опередят – уникальный российский робот-хирург может остаться за бортом.

– К сожалению, нам приходится тратить личные сбережения. Дело не в чьей-то злонамеренности – госструктуры ограничены своими мандатами и постановлениями правительства. Мы бы очень хотели выстроить такую цепочку, как в Америке: чтобы разработки ученых поддерживало и государство, и частные инвесторы, и готовы «ободрать шкуру» на себе. Нам важно, чтобы российский робот двигался дальше, – говорит Шептунов.

Конкретные суммы академик называть отказался. Известно, что речь идет о миллионах рублей в месяц.

Российские ученые отчаянно ищут частных инвесторов, чтобы оставить разработку в стране, провести необходимые испытания и запустить производство. Интерес уже проявили Китай и Финляндия – российский робот-хирург будет, как минимум, в пять раз дешевле аппарата американского монополиста.

– Это гениальный прорыв. С минимальным финансированием и минимальной поддержкой у нас есть высочайшего качества работающий прототип. Но нас могут обогнать: я хорошо знаю профессора Шептунова, он большой патриот и будет ломиться в эту закрытую дверь бесконечно. Мне как гражданину важно, чтобы эта дверь открылась и разработка осталась в России, – говорит профессор Раснер. По его словам, единственным выходом может стать лишь государственная поддержка – частных инвесторов такого масштаба у нас пока нет.

Наш ответ Да Винчи

Кто-то скажет, это вполне реально. Ведь специалисты прогнозируют, что совсем скоро роботы вытеснят человека из многих профессий, где уже превзошли его по мастерству. В той же медицине лучше ставят диагнозы по снимкам КТ, МРТ, УЗИ. И все же сложные операции — совсем другое дело. Вы доверитесь машине, ляжете на операционный стол под скальпель робота? Может, все же надо остановиться на Винчи, где, по сути, операцию делает человек? Как говорится, всему есть граница, за которую роботу ход надо запретить. Но сегодня разработкой хирургических роботов занимаются в ведущих странах мира. И не для «чистого инженерного искусства». На их создании настаивают сами врачи.

— Никто не верил, что наш робот сможет лазером прооперировать десну, — говорит профессор МГТУ «СТАНКИН» Юрий Подураев. — Когда показали этот фокус сначала на фантоме, а потом на десне животного к нам стали обращаться врачи самых разных специализаций. Они предлагают операции, которые можно было бы доверить роботу. Какие? Где функциональные возможности врача-хирурга подчас ограничены самой природой, физиологией человека. Например, при биопсии мозга надо с высочайшей точностью навести инструмент в мизерную цель. Даже Да Винчи это не гарантирует, ведь он повторяет движение человека, зато настоящему роботу такое снайперское попадание в цель вполне по силам. У нашей машины точность действий составляет 0,01 миллиметра.

Но точность не единственное преимущество робота, который создают ученые Московского государственного медико-стоматологического университета и МГТУ «СТАНКИН». Принципиально важно, что у робота есть датчики скорости. Дело в том, что многие манипуляции с инструментом надо вести с постоянной скоростью, например, при лазерной хирургии десны. Если она меняется, то может получиться, либо недорез, либо инструмент углубится, что приводит к нежелательным повреждениям и кровотечению. Даже хирург-ас не может жестко контролировать скорость движения своих рук и инструмента, а для робота это обычное дело. То же самое и с контролем силы контакта между инструментом и тканью.

— К примеру, медики предложили нам подумать, можно ли передать роботу операции по сверлению и установке болтов в позвоночник, — говорит Подураев. — Наружный слой позвонка очень жесткий, а внутри как губка. Если приложить слишком большое усилие, можно проткнуть кость и попасть в губку. Что очень опасно, вплоть до повреждения спинного мозга и парализации ног. Во время только одной операции могут ставить до 8 таких болтов. Так вот робот может с помощью встроенного датчика контролировать одновременно и силу давления инструмента, и его положение.

Читать еще:  Островная вытяжка для кухни: характеристика, плюсы и минусы

Что же выходит? Скоро хирург останется без работы? А кто будет отвечать, если машина совершит ошибку? Что вовсе не исключено. Опыт показывает, что самые суперсовершенные машины могут давать сбои. Конечно, за все ответит человек. Он останется главным в этом союзе с машиной. Врач пишет для робота подробную инструкцию, как проводить хирургическую операцию. Он прокладывает маршрут до цели, задает скорости движения инструмента, его давление на ткани и другие параметры. А в ходе операции следит на экране компьютера в режиме 3D за каждым движением «подопечного» и в случае малейшего признака на какую-то нештатную ситуацию может вмешаться, внести коррективы или даже остановить операцию. Кстати, и сама машина способна остановиться, если произойдет отклонение от заданной программы действий.

Ученые создали прототип робота, который уже может выполнить пять операций: биопсию головного мозга, разрез лазером мягких тканей полости рта, радиочастотную абляцию опухолей печени, установку винтов в позвонки и восстановление зубной эмали на зубах для устранения кариеса. Таким образом, создается универсальная машина, способная выполнять самые разные операции, что не под силу самому лучшему врачу. Ведь каждый специализируется в своей сугубо узкой сфере.

— С самого начала, только приступая к этому проекту, мы посмотрели, что делается в других странах, — говорит начальник отдела управления проектами развития Московского медико-стоматологического университета Игорь Романенко. — Оказалось, они создают роботы узкого профиля. Мы решили пойти другим путем, сделать универсала. А конкретно единую платформу, которую можно приспособить под самые разные операции. Как это выглядит? Есть общая программа управления роботом, а в манипулятор, в зависимости от вида операции, вставляются разные инструменты, и роботу выдается инструкция на каждый конкретный случай.

Подобная универсализация сделает робот доступным для широкого круга больниц. По мнению авторов разработки, российский робот сможет встать к операционному столу уже в ближайшие годы. Кстати, его цена будет в разы меньше, чем Да Винчи, который стоит 2 миллиона долларов.

Робот хирург уже реален

Просматривая фантастический фильм о будущем, нередко можно наблюдать, как какой-нибудь робот хирург ловко ставит на ноги героя истории. Сегодняшний день нам дарит надежду, что все это не останется лишь выдумкой.

Что же все-таки произошло?

А произошло то, что наконец-то автоматизированная система провела более или менее сложную хирургическую операцию САМОСТОЯТЕЛЬНО (ну почти :)). Такая система давно будоражила умы, но так и не была реализована на практике.

Вот американские ученые вплотную подошли к созданию такого чуда техники. Уже давно проводятся подобные эксперименты и уже давно некоторые исследовательские лаборатории пафосно заявляют, что создали-таки робота хирурга. До недавнего времени это было и не так и одновременно так.

Готовые образцы могут выполнять простые операции на жестких структурах, таких как кости. Они примечательны тем, что во время операции практически не меняют своих свойств. Но подавляющее большинство хирургических вмешательств проходит на мягких тканях, которые свои свойства меняют. Хитрые ученые часто замалчивают этот факт. А в нем, как говорится, вся соль. Хирург, совсем не оперирующий на мягких тканях – не такой уж и хирург.

У них получилось

Но вернемся к нашим американским ученым. Точнее, совсем не нашим… Впрочем, для кого как. Исследовательская группа из США уже дивным давно пытается создать робота хирурга, у которого руки растут из правильного места, и он может резать и зашивать мягкие ткани.

Задача эта вообще непростая, и на ее решение было угрохано много премного времени. «Рождение» умелого робота проходило тяжело, в несколько этапов и таки принесло свои плоды.

Как оно работает

В роботе было применено достаточно много инновационных подходов. В частности 3D NIRF технология. Она позволяла решать следующие проблемы, стоящие перед созданием полноценного робота хирурга:

  • Глупые машины плохо различали контуры тканей и не могли понять, где их границы.
  • Программисты не могли написать нормальных алгоритмов, по которым робот делал бы операции.
  • И другие.

Первая как раз и была решена при помощи этого 3D NIRF. Ее суть в том, что датчики робота («глаза») регистрируют излучения от тканей в инфракрасном диапазоне. Эти излучения у разных тканей неодинаковые, что и позволяет их различать. Причем информация собирается со всего массива ткани, что позволяет создать трехмерный образ и иметь дело с ним.

На составление алгоритма ушла не меньшая уйма времени. В него была заложена возможность обучения с учителем, где неверные действия робота карались плетьми корректировались и заносились в память. Такая вот работа над ошибками помогла достичь неплохих результатов.

Все мы учимся

Сначала робота хирурга натаскивали делать простые швы по линеечке. Это получалось вполне неплохо, после чего было решено отправить его определять конфигурацию мягких тканей.

Здесь уже все было не так гладко, и хирургам пришлось много корректировать начинающих врачующих киборгов. После успешного окончания этого испытания робот был допущен к настоящему органу – свиной кишке.

Правда кишка эта была отдельной (т. е. без остальной свиньи). Тем не менее, условия были максимально приближены к реальным. Всем известно, что строение внутренних органов свиньи необычайно схоже с человеческим. Именно поэтому раньше были популярными такие операции как пересадка клапанов сердца от свиньи человеку или гемодиализ (очистка крови) через свиную печень.

В качестве мишени были использованы те самые мягкие ткани, изменяющие свои свойства (упругость, пластичность, и др.) в ходе операции (из-за сокращения мышечных клеток, изменения кровенаполнения и т. д.). Здесь разработчики столкнулись с множеством трудностей, им пришлось корректировать и тем самым обучать свое детище. Оно, кстати, так и не смогло выполнить операцию полностью автономно, но было допущено к цели своего предназначения – операции на живом организме.

Момент истины

Итак, робот, изображенный на иллюстрации выше, приступил к операции на кишке, изображенной на иллюстрации ниже. Стоит отметить, что это опять была свинья, так что ни один человек не пострадал. Было выполнено наложение анастомоза на кишку(соединение двух концов разрезанной кишки) по типу конец в конец при помощи лапаротомии (засовывание нескольких трубочек внутрь: лампочки с камерой и инструментов, без огромного разреза а-ля полостная операция).

Робот хирург в итоге провозился с этим анастомозом чуть больше часа, что несколько продолжительнее аналогичной работы для хирурга из костей и мяса. Как и на прошлых этапах, киборг не был абсолютно самостоятельным – лишь наложение 58% швов были полностью автономными. На первый взгляд кажется не очень воодушевляющим фактом.

Однако если посмотреть на аналогичное распределение самостоятельности по времени, все становится более радужным:

  • 7% времени человеческая особь в профессии хирурга корректировала действия неодушевленного товарища.
  • 3% человек подтверждал сомнительные действия.
  • 3% человек исправлял ошибки.

То есть 13 процентов времени в работу робота хирурга вмешивались исследователи, на всем остальном промежутке чудо инженерии работало само. Получается, совсем не зря учился.

[message type=”info”]Полную научную публикацию со всеми формулами и статистическими выкладками Вы можете найти в журнале «Science» под названием «Supervised autonomous robotic soft tissue surgery«.[/message]

Выводы

Американской исследовательской группе удалось достичь действительно хороших результатов. Да, робот еще сыроват и пока способен проводить только один тип операции и тот не совсем самостоятельно. Но давайте взглянем на положительные стороны:

  • Врач руководил действиями робота только 13% времени, что может в перспективе сильно разгрузить медицинский персонал.
  • Хоть в арсенале только один тип, но таких операций только в США выполнятся около миллиона в год.
  • Робот сильно не накосячил и в будущем может быть хорошей страховкой от ошибок неопытных врачей.

Таким образом, мы все ближе к светлому будущему, когда операции будут делать безошибочные роботы, а люди наслаждаться быстротой их протекания и легкостью восстановления после них.

Исследователи (по крайней мере, по их словам) не стремятся создать полностью автономного робота хирурга и таким образом лишить работы многих хирургов. Они готовят лишь инструмент, значительно облегчающий им и всем нам жизнь.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector