設為首頁收藏本站

信陽網

 找回密碼
 注冊帳號
信陽網 首頁 科技 科技聚焦 查看內容

哈姆林機器人手術中心楊廣中:科學機器人的挑戰及機遇

2019-8-23 09:05| 評論: 0|來自: 人民網-科技頻道

摘要:   8月20日-25日,由北京市人民政府、工業和信息化部、中國科學技術協會共同主辦,中國電子學會、北京市經濟和信息化局、北京經濟技術開發區管委會承辦的2019世界機器人大會在北京亦創國際會展中心舉行。8月21日, ...

  8月20日-25日,由北京市人民政府、工業和信息化部、中國科學技術協會共同主辦,中國電子學會、北京市經濟和信息化局、北京經濟技術開發區管委會承辦的2019世界機器人大會在北京亦創國際會展中心舉行。8月21日,哈姆林機器人手術中心主任兼聯合創始人楊廣中在基礎技術與創新論壇做了主題為《科學機器人:挑戰及機遇》的報告。

  報告原文如下:

  非常感謝有機會和大家探討科學機器人的挑戰與機遇,我想以《科學機器人》主編的身份和大家談一談機器人在今后的發展方向,產業化應用的機遇和挑戰。

  《科學機器人》是一本很年輕的雜志,成立于2016年12月。大家可能會問,現在有這么多的機器人雜志和刊物,為什么還需要有一本專門為機器人服務的期刊,尤其是在科學雜志的子刊上面?《科學機器人》雜志的宗旨是Science for Robotics,就是用基礎科學支撐今后機器人的發展,還有就是Robotics for Science,通過機器人推動我們的基礎研究。接下來我舉幾篇文章作為例子,和大家解釋一下《科學機器人》所要主推的一些方向。

  剛才講過,我們期刊是在2016年12月首發,這是當中的一篇文章。這只小兔子叫做“叢林寶寶”,彈跳界當中如果和它的身長對比的話,它是彈跳力最好的。我們的機器人要從生物界得到靈感和啟示,然后做出更好更優化的機器人。這是伯克利大學團隊的一篇文章,重點就是怎樣從彈跳的角度在動物界學到方法,叫做Power Modulation,我們不光是要跳起來,還要在跳的過程當中優化姿態,從而彈跳得更好。實際上按照結構來說,這是一種比較傳統的機電結構,但是從彈跳的功能來看,彈跳之后需要運用Power Modulation,也是受到了很多動物界的啟發。

  這是最近伯克利大學發表的一篇文章,講的主要是軟體機器人,和傳統的機械電機方向反應比較低,產生的力距也相對更小一點,采用新材料把生物當中的基本原理總結出來,然后用新材料來實現。藍色的區域是現在的軟體機器人Body Mass與所能夠達到的速度進行比較,紅色的區域是昆蟲界能夠做到什么,所以我們距離真正昆蟲所能達到的能力還有距離,但是通過軟體機器人可以實現。

  當然,《科學機器人》不光是從簡單的原理當中發現新的方法,我們也非常崇尚機器人的應用,上天、入地、下海,包括今后的制造Building。這是MIT的一個系統,叫做Digital Architecture,主要難點叫做Micro-mini System,通過大的平臺粗獷地定位,然后用小的機器人精細地操作,這是機器人控制當中非常困難的問題。再從數字建筑的角度,通過材料和機器人融合,各種建筑應用場景會有很大的幫助。

  我們推崇的不僅僅是實驗室研究的平臺,更重要的是在極端環境下得到應用。這是Micro-gravity微重力的情況下做Grasp和Maniputation,因為這種環境下很多情況都會發生變化,但是重力影響相對比較小,通過這種角度進行推進也是我們所崇尚的。

  綜上所述,過去的兩年半時間當中,《科學機器人》的確在各個不同的領域提出了方法和挑戰,也得益于各個團隊的支持,軟體穿戴機器人、仿生、建筑以及其它方向,軟體機器人是把能夠自行修補的材料應用在機器人當中,這些都是我們的研究方向。

  下面我把去年《科學機器人》在機器人應用方面的十個挑戰和大家介紹一下。

  核心實際上還是基礎技術,我們把新材料作為今后機器人發展的一個非常重要的方向。為什么是把材料學作為今后機器人發展的重要方向?過去的五六十年當中機器人的發展更多的還是依賴于傳統的制造技術、傳統的機械、傳統的馬達,今后我們更走向微型化、智能化,對材料的考量需要進一步的探索。

  四個核心科學包括新材料和制造,仿生和共融,還有就是能量的傳輸和獲取。大家可能會問能量的傳輸和獲取為什么和機器人的發展有相當大的關系,后面我也會進行簡單的闡述。再就是集群機器人,通過有效的合作完全一些復雜的動態。

  周邊的就是智能化的部分,就是在未知環境下進行自主導航,人工智能、人機交互、機器人倫理和保密。外圈我們提出一兩個今后比較重要的應用方向,包括醫療機器人,如何在常用的人機交互,就是Social Robotics。

  為什么我們要做仿生技術?剛才說過仿生機器人的作用,Bi-hybrid對于今后的生物材料如何兼容起來是一個很重要的發展方向,大家可能都知道組織醫學,實際上這是一個靜態的結構,就是怎樣把細胞在生物框架當中進行有效的繁殖和產生結構,但這是相對靜態的環境。大家都知道細胞的成長需要外部的激勵,包括化學和生物各個方面,所以從這個方向要達到Functionality、Fabrication和Multi-function Integration。

  按照能量基礎科學的支撐和系統合成應用,很多方面都有一個非常重要的研究方向,這也充分體現了機器人今后的發展有兩條并行的道路:怎樣用基礎科學支撐機器人的研究,怎樣用機器人推動基礎科學研究。

  剛才講到能量,今天展覽會大家也看到了很多系統基本上都是離線的,就是有自己的電源系統,無論是電池還是其它能量傳輸,這些都是非常可喜的。“叢林寶寶”就是一個有線系統,控制和能量的獲取還是通過線來達到,如果我們能夠把電池能量的獲取全部與無線結合,那么對整個重量、材料和Dynamics都會有很大的挑戰。自動駕駛當中也有幾個非常重要的技術突破,導航是非常重要的一個方面,但是高容量、高性能的電池快速充電,能夠得到長期續航,這些都是非常重要的研究方向。

  今后的機器人發展方向肯定是人機交互,現在從實驗室的平臺來說,人機交互已經走到了非常前面,通過植入式和穿戴式的電擊都可以進行有效的人機交互,包括怎樣理解人的主觀意識、怎樣進行無縫連接、怎樣從事Imaginary Task。另外一個重要方向就是Ethics和Security,后面的演講者也會做這方面的重要闡述。

  下面我把醫療機器人作為一個例子和大家介紹一下,就是醫療機器人今后的發展方向。今天展館當中大家也看到了很多醫療機器人系統,包括達芬奇系統和北京中關村產業園自主研發,并且能夠投入臨床的機器人系統,這些都非常可喜。

  醫療機器人主要還是解決的是現在還有很多開放式手術,微創手術現在發展得非常快,如果我們能夠得到早期診斷早期治療,今后很多診斷都可以通過微創的角度進行有效治療。微創手術如果不用機器人,手術的復雜性、操作性、靈活性、安全性,這些都會是非常大的問題,也是我們在九十年代和過去二十年左右手術機器人的發展。手術機器人在過去的二十多年是真正從實驗室走向臨床,今后手術機器人肯定會走向更小更精準。

  這里我們列出了一些手術機器人的平臺,右上角的是用于腹腔的機器人,右下角是骨科機器人,主要是以定位為主,左下角是進腔道的機器人,左上角是其它放療機器人。整個機器人領域布局的話,從頭到腳從軟到硬,這些布局都是非常完善的。

  為什么說機器人對精準手術非常重要?首先是可重復性和精準性,還有就是能夠自定區域,并且把增強現實和術中術前的影像導航緩步融合在一起,實際上也更加精準,尤其是癌癥手術的治療方面,邊界的定位和切除對病人的康復都是非常重要的。

  具體都有哪些方向?剛才講過更小更靈活,再就是Better Access和Better Vision,希望今后幾年在WRC的展臺上能夠看到有更好、更新一代的機器人。

  我們可以把醫療機器人定義為六個系統:五級完全是自主機器人,就是Robotic Surgeon,零級叫做主從系統,一二三四級都是不同的角度,二級的很多縫合手術完全可以由機器人自動完成,四級有些Decision-making也可以由機器人來做,就是醫療機器人從不同的級別、不同的手術應用場景,自動化的角度也會有不同的考量。

  實際上機器人能夠理解我們的意念、理解我們在做什么是非常重要的,微創手術當中內窺鏡一般由助理操作,這就牽涉到醫生和助理之間的交互問題。怎樣通過非口令式的交流,也不用事先編好的程序,機器人能夠理解下一步需要做什么、怎么做、在哪里做,這是通過實時眼動Tracking,就是雙幕實時檢測出來,通過一系列的手段,濾去一些不常規的轉頭、眨眼或者和其他人交流,真正了解你的主觀意愿。交互的時候你會覺得機器人懂你的意思,實際上是活機器人,沒有通過語音、沒有通過手勢,這樣的機器人從智能化的角度就更向前邁進了一步。

  這是最近我們在哈佛發表的一篇文章,基本上能夠在血管瓣膜置換的時候邊界反流,看不見的時候通過傳感,看得見的時候不能進行血管成像,怎樣通過這個角度把導航自動做起來?這里就展示能夠繼續怎樣去做,看不見的時候能夠用傳感信息融合,傳感器和Tissue觸碰的時候能夠看得出一點,實際上這對導航來說還是非常困難和具有挑戰性的事情。

  現在的機器人越做越小,也是為什么從材料的角度來說我們對它的要求越來越高。現在從毫米到微米再到能夠走向納米級,也就是我們所說的微納米機器人。現在微納米機器人主要局限于實驗室角度,就是概念的級別,因為有不同的驅動方式,可以用化學物質,比如雙氧水或者通過磁場、聲波、超聲,還有就是可以用Biological Host,就是用無害細菌作為載體把藥物帶到病灶,能夠達到的作用叫做Delivery Surgery,進一步把微納米機器人用到和臨床相近的角度,不光是導航和可視性,然后把影像全部融合在一起,影像技術就是通過Photo Acoustic Imaging進行,這些對靶向都會有非常重要的方向,大家可以看到,這是治療當中藥物通過微納米機器人打入病灶。

  注重新材料新制造的同時,我們更注重怎樣用傳統的機械做出一些不傳統的應用。這是哈佛的一個團隊做的一套系統,就是怎樣在深海得到生物樣本。大家知道深海生物樣本非常纖細,稍微多一點力都會把生物樣本損壞,我們怎樣通過一個相對比較傳統的,但是又非常巧妙設計的機械結構,能夠獲取非常Delicate的生物樣本。這種驅動并不是有很多自由度,所以從這個角度來說也是我們自己希望的,就是從傳統機械的角度做出不傳統的設計。

  怎樣真正把實時信息應用起來?這是UIUC做的仿生蝙蝠,真正在實時計算以及其它各個方面融合起來,做出來的系統就更具有挑戰性,因為各個邊界條件包括能量、姿態變化、控制和實時計算全部都融合在一起,要求也會更高。

  剛才講過我們運用Bi-hybrid System,就是生物材料和人造材料進行融合。我們知道生物材料有一個天生的驅動性,就是可以提供能量,所用的能量非常經濟,實際上這對今后植入式機器人是一個非常重要的方向。我們也做了很多前期研究,這是日本東京大學做的一套系統,就是形成肌肉細胞的實時驅動,優點是達到相對比較長時間的驅動,也就奠定了Bi-hybrid System今后應用的前景。

  關于人工智能在機器人當中的應用,大家都對這些應用場景非常熟悉,今后機器人應用更多的是人機融合,機器學習不是通過簡單的編程,而是通過實時的、針對應用場景的學習和自學習的功能,Learning from Demonstration是機器學習的重要方向,今后操作者、控制者和應用的場景,不管是哪一個領域,更多的主要是決策的功能,怎么做、做什么,具體操作的時候從精度和控制的角度更多的還是由機器人去做,這樣把機器人的精度、可重復性這些優點和人類的決策能力、從經驗當中學習的能力更有效地結合起來。

  這是我們前期發表的一篇文章,就是機器人怎樣自己在簡單的游戲當中自我學習,并且能夠Formulate自己的Strategy,這些都是我們需要拓展的。

  今天大家看到了很多仿人雙足機器人的例子,這也是最近幾年有了很大的發展。這是東京大學做的,完全是通過人造肌肉驅動,然后才能真正做起來,所以從這個角度來說難度更大,但是對機器人的靈活性有更好的應用場景。

  最后用一兩分鐘時間把仿生機器人展示一下,大家都知道折紙和剪紙,這是通過蛇皮的蠕動把軟體機器人進行驅動。實際上這是我們對生物功能的深入理解,同時我們又學習了不同的軟體機器人的操作系統。更重要的角度就是人機交互Social Robotics,機器人在兒童教育、老年自閉癥都有很好的場景,也就是我們所稱的輔助機器人,可以從假肢的角度不僅提供功能,并且能夠提供觸覺,完全是從電機的植入加上觸覺的功能、人造的皮膚,再加上人機的交互,我們做出來的假肢越來越職能,更加接近人體自身的功能。

  總結來說,過去的兩年當中科學機器人在不同領域進行布局,我們提出了十大挑戰,當然也不僅局限于這十大挑戰,新的材料、仿生和人機融合等等很多方面都會有更多的拓展,我也非常希望在座的各位今后能夠在這方面受到啟發,做出更好、更強、更智能化的機器人。

(責任編輯: 王皇珍)

相關分類

QQ|Archiver|小黑屋|信陽網 ( 豫ICP備11020369號  

違法不良信息舉報中心   河南省互聯網違法和不良信息舉報中心

豫公網安備 41159002000073號

GMT+8, 2019-8-23 17:04 , Processed in 0.171612 second(s), 21 queries , Gzip On, Memcache On.

Powered by xywcms! X3.2

© 2001-2013 信陽中和文化傳播有限公司.

返回頂部
足球即时指数手机版