機器人設計是一件很艱辛的工作。這些復雜的手術平臺由訓練有素的五到七名臨床醫生組成，其中包括外科醫生、護士和技術人員。通常，外科醫生通過手動操縱裝置來控制兩到三個多功能微型設備和3DHD攝像機。

機器人技術允許醫生使用微型電氣機械裝置來執行任務，而這些設備的工作永遠無法通過醫生的手來進行。這些微型器械能實現更小的切口、手術部位上更有限的控制和更快的手術。這些最先進的機器人助手共同幫助病患更快地恢復。在機器人手術中，一切都與控制有關。而一切控制都源自“矛的尖端”—— 人手，這是手術成功的關鍵。

關鍵問題：模仿人的手

外科醫生的手動操縱裝置是機器人手術中最棘手 的設計挑戰之一。精確度和控制是機器人手術的主要 目標。必須針對每只手上三個最“聰明”的手指—— 拇指、食指和中指來優化機器人手術工具。這三個是最常用的用于執行精確靈巧的任務的手指。人們一天之中不知有多少次會使用他們最“聰明的握把”，實現精確的三點控制。

手動操縱裝置的設計必須讓外科醫生以自然不受 阻礙的方式來使用他們的手指，操縱裝置本身的設計也必須具有足夠的力反饋來實現觸感，同時又不會形成阻礙。設計時必須考慮如何適應手部尺寸和力量的差異，從第 5 百分位女性到第 95 百分位男性。這是最艱難的部分。同步運動可以優化靈活性和精度，同時也適合各種手部尺寸。手動操縱裝置的物理貼合度很重要，同時它們的行為方式也很重要。

如何做到這一點？

關于系統增益的研究可以追溯到 20 世紀 60 年代， 當時的重點是人的因素和人的表現。研究表明，放大率和增益是相互關聯的。例如，據報道，在玻璃體視網膜系統中，它們需要高精度并且使用的增益比高達 40:1。到目前為止的實驗表明，對于更傳統的機器人手術系統，2:1 至 7:6 的增益比是最佳范圍。

學習曲線：學習時間有多長？

有許多關于學習曲線的研究會對專家外科醫生與 新手醫學生或新手志愿者進行比較。臨床研究通常涉及泌尿科、心胸外科、婦科或普通外科手術中特定程 序或任務的表現。以下是有關機器人技術和腹腔鏡技術的學習曲線的重點：

● 執行簡單任務的外科醫生若表現出快速學習的能力，則在腹腔鏡和機器人平臺上的表現同樣出色。

● 外科醫生在機器人平臺上進行縫合時表現出更快的學習能力和巔峰狀態時間。

● 隨著練習時間的延續，手術表現將得到持續改善，他們能使用機器人系統進行更快的縫合。

● 熟練的腹腔鏡外科醫生在一開始和練習后都能在更短的時間內完成機器人任務。

有趣的是，進步最大的是腹腔鏡經驗最少的參與者這組。并且，在腹腔鏡和機器人平臺上學習外科手術的基本技能具有陡峭的學習曲線，并 且在少至 5-10 次手術后會到達技能“高原”。不過學習曲線會受到工作負荷的影響。

工作負荷：他們在想什么？

工作負荷是機器人手術中需要考慮的關鍵設計因素。這是個人必須做的工作負荷，或個人對工作負荷的看法。人 類可以有效應對的工作負荷是有限的。在考慮工作負荷時，可以將其分解為體力勞動負荷和認知工作負荷。

體力勞動負荷是通過身體與工具或環境的相互作用以及這些相互作用對身體的影響來衡量的，包括姿勢、重復運動、工作場所布局、材料處理、肌肉骨骼壓力以及任何相關的傷害或障礙。

認知工作負荷是指一個人可以使用的精神資源，他們用來思考、記憶、感知運動反應、知覺和壓力。每個人都有 一個固定的認知上限，當超過時會降低思考、判斷和決策能力。在設計時，應考慮如何更好地將外科醫生的這些精神資源集中在外科手術本身。

以下是工作負荷如何與外科醫生的舒適度、壓力和認知負荷相互作用：

● 腹腔鏡手術比一般手術需要更多 的體力勞動。

● 腹腔鏡手術期間的體力工作量需求大于機器人手術。

● 與腹腔鏡手術相比，在進行機器 人手術時，頸部、手臂、肩部和背部的肌肉活躍水平較低。

● 腹腔鏡和機器人外科醫生在執行機器人任務時表現出較低的身體工作負荷。

● 使用機器人手術系統時，新手住院醫生和專家外科醫生都表現出較低的緊張程度。

● 通過皮膚電導、眨眼和問卷測量表明，腹腔鏡手術任務的壓力和注意力高于機器人任務。

● 據報道，腹腔鏡外科醫生的職業癥狀或損傷發生率高達 87％。

壓力

雖然壓力和精神負荷是不同的結構，但認知負荷通常可與生物壓力互換使用。對生物壓力的評估涉及測量個體 對刺激事件的反應，這些事件擾亂了他們的均衡，或者超過了他們的應對能力。用于測量生物壓力的生理測量包括平均心率、心率變化、眨眼率和皮膚電導。雖然應用并不廣泛，但設計師在測試新的想法、概念和原型時會使用這些類型 的指標來衡量外科醫生的表現。

鏡子：反向運動 VS 真實的運動

在傳統的腹腔鏡手術中，沿一個方向移動機器人設備會讓體內的末端點沿相反方向移動。這被稱為支點效應。例 如，將外科醫生的手向下移動會使設備末端點向上移動，反之亦然。一切都是反向的，這給新手外科醫生帶來了挑戰。

經驗豐富的腹腔鏡外科醫生已經學會了在反向運動中進行操作，通過在腦海中進行連續的實時計算，將他們所看 到的東西翻轉成正在做的事情。無論經驗豐富的腹腔鏡外科醫生如何處理反向運動，事實上，實時進行這樣的自動調 整是以外科醫生的認知資源為代價的。顯然，在反向運動中進行實時調整所消 耗的認知資源，會搶奪原本應該用于外科手術本身的認知資源，而不是對傳統 腹腔鏡設備設計的補償。

未來

手術機器人行業正炙手可熱。雖 然只有少數公司能夠在這個領域立足，但所有公司都是重要的全球巨頭。Intuitive Surgical 是該行業的先驅，仍 然占據主導地位。包括強生、谷歌、史賽克和美敦力在內的其他公司都在以某種方式向手術機器人領域邁進。每個人都在試圖將他們的平臺與競爭對手區分開來。

很難否認機器人正在改變手術本身。機器人技術可提高外科醫生的表現，減少手術侵入性，并為病人帶來更快的恢復時間。隨著越來越多的競爭出現在這一領域，隨著這個行業從壟斷變為開放，系統成本將會走低。

隨著技術的發展，增強現實（AR） 和虛擬現實（VR）將在人機交互中發揮更重要的作用。這將降低機器人平臺的物理尺寸和復雜性，轉變為更小的靈活設計，更好地適應目前的各種醫院架構。手術機器人的未來不會是單一的， 而是將納米式手術工具、皮膚和體內微型可穿戴設備以及組織 / 器官可視化技術融合在一起，這將使外科醫生能夠看到他們以前從未見過的東西。

本文介紹了機器人手術系統設計中的五個關鍵成功因素。無論這些機器人手術系統有多復雜，它們的成功都可以歸結為成功的人機交互設計， 使外科醫生能夠以自然、直觀和無障礙的方式工作。