VR头显+仿生机械臂,挑战2000万一台的手术机器人?

文/VR陀螺 小钻风

1966年,电影《奇异的旅程》获奥斯卡金项奖,在这部电影当中,5名医生将自己缩小进入患者体内进行手术治疗。

几十年过去,两名麻省理工学院(MIT)的学生受这部电影的启发创立公司Vicarious Surgical,真的研发了能在人体内进行手术的微型外科手术机器人。

这款结合了VR技术的外科手术机器人吸引了包括比尔·盖茨、雅虎创始人杨致远、Google前CEO埃里克·施密特等众多知名投资人,并于前不久宣布计划纽交所上市,拟募资4．6亿美元。

Vicarious Surgical这款VR外科手术机器人有何特殊之处?为何会有如此大的吸引力?  

VR手术机器人,两位MIT小伙让科幻电影中的医生来到现实  

2014年,受科幻电影启发的麻省理工学院学生亚当·萨克斯(Adam Sachs)和萨米·哈利法(Sammy Khalifa)毕业后,与拥有30年腹腔镜手术经验的医学博士巴里·格林成立了Vicarious Surgical。

亚当在麻省理工学院学习了机器人技术与生物医学工程,并在苹果从事iPhone的制造工作。萨米此前在苹果公司担任产品设计工程师,之前担任生物医学设计工程师,在麻省理工学院攻读的是机械工程学。

成立公司后,团队很快开始从事微型人形机器人相关研究,希望手术机器人能够做到在腹腔内完成所有手术,而非局限于切口部位。

在这个研发过程中,真正使他们灵感爆发的是看到微型机器人与Oculus Rift等VR头显相结合所产生的潜力。 亚当说:“并非像阿基米德发现原理时那样灵光乍现,而是经过了两三个星期才终于有了清晰的想法。我们希望让机器人更像人类,而VR提供了这样的机会。”

该公司制作出的第一款原型机器人,可以看到,就机器臂非常小巧,灵活度与人类的真实手臂相仿。

Vicarious Surgical表示制作这款手术机器人的目的在于,提高手术的效率,提升的患者的愈后效果,并帮助降低健康医疗成本。 这款手术机器人一年多前还被美国FDA评定为有重大突破的设备。此前,马斯克的Neuralink脑机接口设备便是获得了FDA的突破性设备计划认证,即将在人类身上进行脑机接口植入实验。

目前,Vicarious Surgical已经吸引了一众知名投资者,包括比尔·盖茨、Khosla Ventures、Innovation Endeavors(由Google前首席执行官埃里克·施密特创立)、AME Cloud Ventures(雅虎创始人杨致远创立)、Singularity Holdings的投资者Neil Devani和Salesforce创始人Marc Benioff等在内。此外,全球最大的全球医疗技术公司之一的BD也参与了投资。

Vicarious Surgical投资者(图源:Vicarious Surgical官网)

一家小小的初创公司为何会受到如此多优质资源的青睐?这款VR+手术机器人又到底长什么样?

VR头显+仿生机械臂,挑战2000万一台的手术机器人? 

先从外型与尺寸来看,与传统的手术机器人不同,Vicarious Surgical手术机器人不是由控制台、手术机械臂和三维成像系统组成的标配“三件套”。

而是减化为“两件套”:病人推车与控制台,三维成像系统集成至控制台与轻便的VR头显配合使用,手术机器臂体型大大缩小,直接集成至病人推车。

图源:Vicarious Surgical官网

Vicarious Surgical手术机器人的特别之处,在于与人类相仿甚至超过人类的两只手术臂,以及与VR技术的结合,这两只手术臂将完全映射医生的两只手臂操作。

两只手臂各安装有9个解耦执行器,以让手术臂能够做到超乎寻常的灵活,Vicarious Surgical也将其称为9自由度。著名达芬奇手术机器人的手术臂为7自由度。

手术臂(图源:Vicarious Surgical)

这两条手术臂能够达到患者体内比如腹腔的任何角落。与之相比,现有手术机器人在腹腔内做手术遭遇的一大困扰,是常规手术臂难以进行腹壁的修复工作,从而导致手术失败率难以降低,一直维持在20%左右。  

传统手术臂与Vicarious Surgical手术臂对比图(图源:Vicarious Surgical) 

其结果是,外科医生与患者还需在后期进行更为复杂的修复程序,花费时间约为四、五个小时。在使用Vicarious Surgical操作的情况下,经测试,在实施腹疝修补手术时,过程不仅更为简洁,而且能将失败率降至5%。

每只手术臂安装有28个传感器,从手腕、肘部至肩膀,完全复制了外科医生的手臂。这两条手术臂将会映射外科医生自己的手臂,这意味着医生在患者体内进行手术操作,将拥有更高的施展空间,可以进行更为复杂的手术,灵活度也更高。

手术臂映射医生整条手臂(图源:Youtube)

在进行手术时,外科医生戴上VR头显,坐在控制台前面向3D显示屏,两只手术臂及其上方的摄像头会从1．5cm(1根手指的宽度约为1cm)的手术切口进入患者身体内部。

手术臂(图源:Vicarious Surgical)

目前的单端口机器人需要的手术切口大小为2．5cm。更小的切口意味着对患者造成的疼痛感更小,患者愈后速度更快。 不要小看这两只小小的手术臂,从理论上来讲,它所带来的外科手术解决方案要优于现有的外科手术。

手术臂GIF(图源:Vicarious Surgical)

手术创口更小,手术臂灵活度更高,可对普通手术臂难以操作的腹壁进行处理,减少患者痛苦,达到更好的预后效果。 除了手术臂之外,与VR的结合是一大特色。

(图源:Youtube)

在进行手术时,外科医生戴上VR头显,坐在控制台前面向3D显示屏,由摄像头向外科医生展现患者体内(比如腹腔内)360度视野,并且提供的是4K 3D可视化画面。

此时摄像头代表医生的双眼,当医生的眼睛移动时,摄像头会随之移动对腹腔进行全方位察看。该摄像头可调节光照,并进行自动聚焦。 在摄像头和VR的帮助下,医生仿佛置身于病人腹腔,能以人眼甚至是普通显示器所达不到的视野距离观察需要医治的部位,从而进行精密手术。

(图源:Vicarious Surgical)

在医生进行手术时,两条手术臂作为外科医生两只真实手臂的映射,会与医生的手部动作保持一致。换句话说,此时的手术臂就代表了医生的真实手臂。

前面部分陀螺君介绍了这两条小小的手臂有多灵活,充当的不仅仅是手术医生的手和手腕,而是包括手在内的整条手臂。这样的自由度,是普通手术机器人是难以做到的。

下图为医生使用达芬奇手术机器人时的操作。

达芬奇手术(图源:Youtube)

医生通过手指对伸入患者体内的机器臂进行操作,操作幅度相对有限。我们可以假想下自己作为患者,是希望医生手术时能全手臂进行自由操作,还是只能用手指控制。

Vicarious Surgical在VR的帮助下却能做到,医生的手臂可以得到解放,这意味着手术的可控性与精确度更高。

除此之外,因为有了VR头显,医生不再需要像之前那样为了获得更佳的3D视角而将脸贴近庞大的显示器,手术操作将更加方便。此外,有了VR,3D显示器的成本与体积都将缩小。

?达芬奇3D显示器(图源:Youtube) ?

也正是这个原因,Vicarious Surgical手术机器人得以将机器臂与医生的控制台、成像系统相分离。同时,也让这种远程手术的便捷性大大增加。 不仅如此,Vicarious Surgical手术机器人还具备价格上的优势。除了固定设备的成本大大低于竞争产品外,需要更换的一次性部分同样具备价格优势:

采用聚合物纤维电缆的3D打印和注塑零件;

解耦的致动器使聚合物电缆和零件更容易使用,与传统制造相比,零件成本降低5-10倍;

机器人的无菌部分可完全抛弃;

鉴于以上特点,有人将Vicarious Surgical的VR手术机器人视为下一代手术机器人。

Vicarious Surgical也对自己的产品信心十足,认为医疗市场的适度采用(渗透率<1%)的情况下,便可为其带来巨大的收入潜力:至2027年实现10亿美元的收入。

Vicarious Surgical预计的市场渗透率(图源:Vicarious Surgical)

根据Vicarious Surgical公布的发展路线图,该手术机器人将于今年面向KOL外科医生发起早期采用者计划。

Vicarious Surgical发展路线图(图源:Vicarious Surgical)

手术机器人我们并不陌生,由它引起的外科手术第三次革命已经到来了20年,而Vicarious Surgical想要做的,是在VR技术的辅助下实现手术机器人的革新。  

三年后规模接近1000亿美元,VR或助推手术机器人市场  

2000年,大名鼎鼎的达芬奇手术机器人问世,开创了手术机器人时代。它问世后,垄断手术机器人市场已20年。

达芬奇手术机器人的微创手术不仅可以解放医生的双手,面对一些高难度手术比人手更精准安全,且无需考虑医护人员疲劳等问题。在我国吉林省上岗一年的第四代达芬奇手术机器人,单台机器手术量773台,全国排名第一。

但受制于成本等原因在很多地方依然难以实现普及。目前我国也主要是一些中心城市的三甲医院才引入。

达芬奇手术机器人全世界一共1200多台,中国不足百台,价格高达两千万,每年保养费超百万,开机一次3万．．．．．． 价格高昂、机型庞大的不仅仅只有达芬奇手术机器人,而是现有手术机器人的普遍特征。 即便如此,手术机器人背后的需求依然持续上涨。

根据美国联合市场研究机构Allied Market Research发布的一份报告,手术机器人手术市场在2018年-2024年间会保持8．5%的复合年均增长率,三年后,市场规模接近1000亿美元。

图源:Allied Market Research

达芬奇手术机器人问世起垄断市场至今,期间不断有人进行手术机器人的研发,但始终未能取代达芬奇的地位。可以说是,看得到的弊端,夺不走的垄断地位。

但在这场机器人的市场竞争当中,降低成本、机身小型化已然是必然趋势。

而Vicarious Surgical的VR手术机器人既符合成本的降低、机身的小型化,又在创口、可操作性与远程操作等方面具备优势。这对于手术机器人市场而言,似乎有革命性的意义。来自于投资大佬们的青睐可以理解为是对未来手术机器人的期待。

值得一提的是,亚当的父亲是伊利·萨克斯(Ely Sachs),麻省理工学院的教授,更重要的是,他是3D打印公司Desktop Metal的联合创始人之一。Desktop Metal的3D打印技术为制造业带来的革命堪比芯片对于IT业。

Vicarious Surgical的制作材料中3D打印是其重要组成,大佬的青睐或许部分原因在于此,先进的3D打印技术背景或将成为Vicarious Surgical的VR手术机器人降低成本的背书。  

结语

VR+医疗是VR应用的主要方向之一,据研究机构Credible Markets近日发布的一份关于全球医疗领域VR市场的报告。预计市场将以超过40%的年增长率增长。

该报告称医疗VR市场正在迅速增长,特别是在培训、与手术机器人结合和可视化等应用方面。

VR或许会是下一代手术机器人的重要组成。