【编者按】上海交通大学与上海第二医科大学强强合并20年来，学校专门设立“医工交叉”研究基金，通过持续搭建平台、探索机制，实现了医学与理工科的深度交叉，培育出多项国家级科研成果，为学校整体实力和学科建设水平实现跨越式提升提供了有力支撑。为反映全校在医工交叉领域的探索经验和取得的不凡成就，新闻网将陆续刊发其中的优秀案例，以期梳理发展历程、总结实践真知，进一步激励广大教职医务工作者深耕交叉融合领域，为推动科技创新、医学发展，早日实现健康中国战略作出新的更大贡献。
徐凯，工学博士，77779193永利官网教授、博士生导师，北京术锐机器人股份有限公司创始人。于2001年和2004年在清华大学获学士和硕士学位，于2009年在美国哥伦比亚大学获博士学位，其间获哥伦比亚大学最高奖学金。自博士毕业加入上海交通大学以来，徐凯一直致力于医疗机器人相关领域的研究，在机器人辅助腔镜手术系统、可穿戴式机动外骨骼辅助康复治疗、用于心血管和颅内手术的微型机器人等方面均获得较大突破。获国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、新世纪优秀人才支持计划、北京市海聚工程特聘专家、上海市浦江人才、上海市青年科技启明星等项目或荣誉。主持国家自然科学基金项目4项，国家重点研发计划专项项目1项。发表SCI/EI论文100余篇，获中外发明专利授权80余项。曾任世界机器人学顶级期刊IEEE Transactions on Robotics副主编，现任中国医学装备协会人工智能和医用机器人工作委员会第二届副主任委员、第一届医用机器人标准化技术归口单位专家组成员、中国医学装备协会应用评价分会第一届委员、中国生物医学工程学会医用机器人工程与临床应用分会委员、上海市医师协会第一届医学机器人专业委员会委员等职务。
医疗手术机器人的起源可以追溯到1985年，当时美国西北大学使用一台工业机器人进行辅助定位，完成了脑部活检手术。这一事件是手术机器人技术的开端。1992年，美国IBM公司和加利福尼亚大学合作开发的机器人ROBODOC完成了关节置换手术。30多年来，手术机器人已越来越多地应用于外科手术，尤以1999年诞生的达芬奇手术机器人在全球的影响及应用最为广泛，在手术机器人领域占据垄断地位。2023年6月，徐凯团队研发的中国首台单孔腔镜手术机器人获国家药品监督管理局批准上市，打破了达芬奇手术机器人的神话，成为国内首个内窥镜单孔手术系统。
聚焦医工前沿，手术机器人从科幻走进现实
徐凯的研究之旅始于对人形机器人的探索。在本科与硕士阶段， 他深入研究了人形机器人的设计与应用。带着专业所学以及对更具实用价值研究方向的追求，他在2004年踏上了前往美国哥伦比亚大学的留学之旅。在那里，他有幸师从全球手术机器人领域的先驱——Russell Taylor教授。2004年正好是达芬奇手术机器人在临床崭露头角的时候，在敏锐的行业洞察和Taylor 教授的影响下，徐凯开始将目光聚焦于手术机器人这一细分领域，并进一步深化了他在医工交叉领域的研究。徐凯认识到，单纯模仿当时已初具规模的多孔腹腔镜手术机器人，不仅难以实现创新与突破，而且在兼顾临床便利性的同时超越前人的研究成果更是难上加难。面对单孔手术机器人领域的相对空白，他毅然选择了这一最具挑战性的研究领域。在留学经历的启发下，他在2009年获得博士学位回国后入职上海交通大学，并全身心投入对单孔机器人的研究中。
徐凯加入上海交通大学后继续单孔手术机器人的相关研究
相较于传统多孔腹腔镜手术，单孔腹腔镜手术具有诸多显著优势。对于患者，单孔腹腔镜手术创伤更小，有助于术后快速恢复；对于医生，单孔手术机器人同样可以实现多孔机器人手术动作精准、灵活的特性，在完成高质量治疗的同时，降低了体力劳动强度与操作难度，帮助医生完成以前手动单孔很难完成的高难度手术。
“医工合作代表了原创，代表了前沿。”徐凯认为，用工程技术解决临床需求的意义重大。
然而，尽管单孔腹腔镜手术具有诸多优势，但在研发时仍面临一系列挑战。由于单孔手术中“单孔”的特性，蛇形臂的摆位与运动控制、如何根据解剖结构选择打孔的最佳位置、如何实现创伤最小化与预后最优化、如何在手术过程中保护神经血管等都是难题。但徐凯没有被这些问题吓退，而是在单孔手术机器人的研究领域中迎难而上。
医疗器械“闯关”临床考验，交大力量为原创技术插上翅膀
“在研发单孔机器人的过程中，最激动人心而又令人难忘的莫过于这一医疗器械的临床使用。”使用单孔机器人进行操作，由于只开一个小孔，对蛇形臂的摆位、运动控制等提出了更高的要求。徐凯就此和上海交通大学医学院附属瑞金医院的众多有丰富临床经验的医生有过许多次交流和探讨，比如，手术怎么样能够在创伤最小化的同时治疗疾病、如何保证患者的安全、到了血管附近怎么处理、如何保护神经和血管等。
但仅有科技支撑、临床研究，单孔机器人还不足以惠及更多的患者和医 生，从科研成果到成熟产品，离不开学校对产学研结合的一贯支持。2017年初，徐凯与上海交通大学签订了科技成果自主转化协议，正式开始将单孔机器人提上产品研发的日程，但这条路远比想象中困难。“针对临床产品的研发和以前在实验室里做的研发相比，对严谨程度的要求不可同日而语。”徐凯表示。
首先，针对产品研发，要满足30多个中外标准，通过七八百个测试项， 与实验室里的样机有天壤之别。其次，针对临床使用，产品也必然要满足高频高压等特殊环境下无菌、可靠性和使用寿命的需求，需要具有绝对过硬的质量。
在研发过程中，如何精确和快速地计算蛇形手术器械的变形量是一个难点。蛇形手术工具的形变是由超弹性镍钛合金细杆的协同形变实现的，属于弹性动力学范畴的问题。徐凯团队积累了大量的计算经验，为后期产品的工程化落地提供了坚实的基础。
内窥镜单孔手术机器人应用在临床中
徐凯表示，蛇形手术工具的原创技术是单孔机器人最大的优势。依托这一原创技术，他所牵头和参与的医工交叉项目取得了许多傲人的成果。项目的合作者之一，上海交通大学医学院附属瑞金医院副院长赵任教授不仅在专业领域顶刊International Journal of Surgery上发表了论文，而且在2024年6月18日成功完成了国产单孔手术机器人首例跨越中美两国的5G远程动物胃大部切除术——这是达芬奇单孔手术机器人自2018年在美国上市以来至今都未能完成的。
操作简单才会更加安全，目标一致方铸手术“神兵”
“医工交叉对于产生真正适合疾病治疗的科研成果有非常大的作用。”在数次医工合作后，徐凯得出了这样的结论。在实验室里设想的很多认为能够保障安全的东西，到了临床上都被医生们诟病操作复杂、存在隐患，因为临床上的东西有些时候并不是越复杂就越安全，而是操作越简单了才越安全。“临床需求和工程背景的科研团队所想的东西可能完全不一样。如果没有医工交叉，单纯工科方向的研究再多，所想的东西也可能与临床需要南辕北辙。”临床经验丰富的医生帮助团队及时调整研发思路，使得科研成果不再是纸上谈兵，而是成为真正投入手术实践的趁手“兵器”。
“神兵”的缔造高度依赖医工双方目标一致。“如果我想做的东西跟他想做的东西不在一个频道上，那自然合作不起来。所以还是要有一个共同的目标，有一个共同的兴趣，这能够促成比较长久的合作。”徐凯认为。从长远来看，共同兴趣最牢固的基础，是共同价值、共同理念。对于医者来说，生命所托，责任在肩；对于工程师来说，希望通过科技让人们的生活更加美好。在合作中，当这种神圣职责和使命意识共通相融，医工同路才走得更远、更稳、更有力量。
徐凯向研发团队介绍手术机器人发展历程
谈到下一个研发重点，徐凯透露，所申请的新一期医工交叉项目将致力于打破超声刀的刚性直杆结构，研发一种可弯超声刀，更好地实现与蛇形手术工具的兼容。值得一提的是，世界上还没有类似的医疗器械。如果可弯超声刀能够研发出来，将会有更多的手术采用单孔的方式进行，减少患者手术和恢复的痛苦，这无论对学术还是对社会都将产生巨大的价值。
原文链接：[交叉融合 医工同行]徐凯：超越“达芬奇”——国内首个单孔手术机器人诞生
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