《科技与金融》专访 | 孟庆虎：打造国产手术机器人
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医生不再站着做手术，而是像驾驶汽车一样坐在控制台前，操控着多个机械臂在病人体内完成手术，这不是科幻电影，而是医院手术室内的场景。以控制系统作为“神经中枢”，机械臂为“手”，数字成像系统为“眼”，越来越多的手术机器人正成为外科医生的“得力助手”，在保障手术质量的同时，以最小的创伤实现最好的疗效，从而帮助患者更好地恢复。
事实上，随着现代医疗技术的不断发展，自2006年国内引进首台达芬奇手术机器人以来，手术机器人逐渐成为外科医生的得力助手。除了发展最为成熟，术式涵盖胸、腹腔绝大部分的腔镜手术机器人外，还有骨科手术机器人、泛血管手术机器人、经皮穿刺手术机器人等。目前，手术机器人已在胸外科、骨科、泌尿外科、妇产科、神经外科等领域广泛应用。
然而，2001年时，中国的手术机器人市场还是一片空白。彼时，一直从事机器人和医疗服务结合研究的孟庆虎院士从加拿大回国，来到香港中文大学任教。正是看到了国内市场的空白及基层医生的迫切需求，他萌发了研发手术机器人的念头，也将更多的研究精力转向医疗机器人领域。从自研光学导航仪到攻克自研骨科手术专用机械臂的难关，他和团队翻遍了骨科手术机器人领域的每一块“石头”，扎实做好原始创新；从香港到深圳，从深圳到香港，他及创业团队利用大湾区的优势，将国产创新产品利用“香港制造”走向国际市场。“国产手术机器人要进行技术跨越，而不是追赶。只有扎实打好基础，攻克核心技术，坚持原始创新，才能不断突破，最后通过超车实现引领。”孟庆虎表示。
采编丨张孟月
校对丨吴政希 图丨南方科技大学电子系
攻克导航仪与机械臂技术难关
打造手术机器人想法的萌芽，源于孟庆虎与香港中文大学医学院骨科医生梁国穗的一次深入交流。
2001年，在加拿大阿尔伯塔大学工作了10年的孟庆虎决定回国，来到香港中文大学任教。听闻孟庆虎是机器人领域的专家，梁医生热情地展示了自己制作的骨科手术机器人，但是这台机器人在孟庆虎眼中只是一个静态的定位装置，远远达不到手术机器人的标准。二人就此展开了讨论，并决定为研发一台真正的骨科手术机器人展开联合科研项目。
21世纪初，手术机器人市场仍处于萌芽阶段，赫赫有名的达芬奇手术机器人在2000年刚刚获得美国食品药品监督管理局（FDA）的认证批准，直到2006年才被首次引进中国。当时，国内的手术机器人尚没有成熟产品，遑论骨科专用的机器人。
鉴于当时进口手术机器人高昂的价格，梁医生提出了研发成本仅需10万元人民币的骨科手术机器人，以便基层医院也能负担得起并投入使用。这迫使孟庆虎必须从零开始，自主研发低成本、高性能的原创技术以服务于产品。
当时，手术机器人中的关键部件——NDI光学导航仪售价都要50万元港币，这便成了孟庆虎首要克服的难题。从2002年到2012年，他带领团队研究了十几种不同的导航仪，有动态的、静态的、移动的、固定的等等，将每一个零部件、每一种算法、每一行程序代码都理解、吃透，做出了适用于不同场景下的导航仪。孟庆虎表示：“目前，我们的导航仪在精度和刷新率等关键性能指标上已经超越了进口产品。”具体来说，导航仪的刷新率高达335赫兹，能够迅速捕捉并响应任何微小的变化和抖动。
在导航仪项目完成后，下一个要挑战的是机械臂的技术难题。手术机器人通常配备有一个或多个高灵活性的机械臂，这些机械臂能够通过算法将外科医生的手部动作精确复制成手术器械在患者体内的细微操作。这样的设计使得外科医生即便在狭小的手术区域内，也能实现对手术器械的精确操控。因此，机械臂在手术机器人系统中至关重要。
在机械臂的研发过程中，力控制技术尤为关键。“骨科手术机器人需要进行切骨、磨骨、钻骨，操作过程中光有位置控制是不够的，一定是力为主的混合控制。”孟庆虎介绍，力控制是机械臂感知体系的一个重要组成部分，当机械臂进到不同组织层面，如果其不能感知，可能会造成不同程度的损伤。基于博士研究时奠定的理论基础，孟庆虎指导团队对机械臂的力控制开展科研攻关，“我们做的所有手术机器人中，力控制、力反馈都是必备的。不像其他厂商，包括达芬奇也是在刚刚发布的第5代手术机器人才将力反馈技术加进去。”
除力控制技术外，研发机械臂的最大难点在于没有模板可以借鉴。前期，孟庆虎团队使用的是WAM、UR、KUKA等通用工业机械臂，但通过临床试验中骨科专家的反馈，他意识到通用工业机械臂存在刚度不够、反应速度慢、零重力补偿不足等问题，便决定自主研发骨科专用的手术机械臂。团队反复调试验证，每一个方案都经历了反复设想、构思、推翻、重建的过程，每个核心关键环节都做了很扎实的基础研究，其后才开始做样机。“由于团队已积累了足够的专业知识和经验，使我们产品定型的机器人能够通过置换末端工具和软件包来执行所有类型的骨科手术，包括脊柱创伤、椎板切除、关节置换等。”孟庆虎介绍，锟铻®全骨科手术机器人产品从研发到获批上市，仅用了3年多的时间。今年7月又取得重大突破，获得国家药品监督管理局（NMPA）批准进行单髁膝关节置换手术，这标志着锟铻®成为国内首个通过NMPA创新医疗器械（绿色通道）特别审查程序的髋、膝、单髁三位一体、可进行多适应症的全关节骨科手术机器人。
“从手术机器人项目启动开始，我们便希望利用二三十年的行业积淀，从核心部件做起，直到实现完全自主研发。”孟庆虎表示，尽管在国产替代的过程中遇到了不少挑战，但研发国产手术机器人的初心始终如一。“我希望能在采用国内顶尖零部件的基础上，通过系统优化，实现与国外手术机器人相同的使用效果。如此，我们的手术机器人不仅性能好，而且成本也能降下来。”孟庆虎自信道。