導讀⏭：3月31日🪯，醫療機器人研究院楊廣中院士領銜來自中國、美國、英國、瑞士👰🏼‍♂️、荷蘭𓀑、德國共15位世界機器人專家在機器人頂級期刊《Science Robotics》上發表抗疫機器人重要綜述論文“Progress in robotics for combating infectious diseases”。文章綜觀全球新冠疫情局勢🆕，結合21世紀以來的世界重大傳染病情，就核心技術創新，如何對症下藥、運籌帷幄；以人為本、完善交互❕；直面倫理、深思熟慮；八方合力，舉世齊心，使機器人技術為下一次疾病爆發做好準備作出了深入探討。

2020年初的新冠肺炎疫情讓全球人民措手不及🚖，目前來看，全世界的復蘇之路艱辛且漫長。這篇綜述總結了針對傳染病管理的機器人技術基本要求，概述了如何在不同場景下使用機器人，包括疾病預防與監測🧑、臨床護理、實驗室自動化⚠🧑🏼‍🏫、物流以及公共社會經濟維護👩🏻‍🦯。文中提出，開發新型機器人會面臨特殊挑戰🥥，新一代機器人應面向應用、可靠、安全並且在需要時可快速部署。文章最後著眼於機器人的倫理用途，並呼籲全世界不斷努力🧑🏻‍🦽，讓機器人為未來的突發事件嚴陣以待。

一📰、臨床需求

生物安全性、無害性、適應性🙏🏻、持久性、包容性是抗疫機器人應具備的五大特征。圖1展示了針對傳染病的機器人和自動化技術，當疫情到來🧑‍🦯，從患者管理🏃‍♂️‍➡️、公共需求👩🏿‍🚀、實驗室工作流程與測試三大環節的臨床需求可一覽機器人如何在抗疫中發揮作用。

（一）患者管理

當出現一位感染者，在其受治療的每個階段，機器人可以在整個過程中滿足不同的臨床需求，幫助體檢、診斷🤵🏿、治療和康復👨🏽‍💼。

l  疫情爆發初期🟤，首要任務是追蹤傳染源，理解傳染原及其宿主▶️、傳染媒介和環境的相互作用，確定主要傳播途徑和機製🤷🏻，然後部署有效的緩解、隔離和治療措施🤷🏻‍♀️。例如，新冠病毒會通過鼻子或口腔中的飛沫傳播👨‍🏭💫，並在表面保持活躍長達72小時。

l  當有人出現感染症狀時，他（她）需要自我（強製）隔離。在此階段，自主機器人可以將食物和必要的醫療用品交給個人，以最大程度地減少人與人之間的接觸🧙，而遠程診療機器人可以進行遠程診斷和采樣🙇‍♀️，包括機器人輔助的鼻咽和口咽拭子采樣👉、血樣采集，根據病情反應測量患者的生命體征等🐚。

l  如果檢測結果呈陽性，患者需被隔離檢疫或送至醫院治療。使用遠程診療機器人進行隔離患者的診斷、治療和日常輔助活動就有明顯優勢，可以最大程度地減少前線醫護人員感染的風險。在醫院中，機器人還可以用於臨床護理輔助、靜脈註射輔助、實驗室自動化樣品處理、生物樣品、病房消毒以及臨床廢物管理，以應對患者人數激增的情況。

l  在經過治療出院後🧛🏼‍♀️，患者仍需要在家中休養一段時間，才能恢復正常活動🍪。機器人在家中可以繼續支持大量的遠程醫療以及食品和藥品傳輸工作。在長期的隔離中，精神壓力是一個主要問題，在新冠疫情期間，世界諸多地區的人民都遇到了類似問題。社交機器人可以幫助維持社交互動和心理健康👷🏻‍♂️，對於高風險級別的患者，他們需長期隔離，社交機器人顯得尤為重要。

（二）公共需求

一旦發生疫情💅🏿，在準備充分的情況下，機器人如何抗疫：

l  首先🕖，醫院的高風險區域應該常態化使用機器人，預防院內感染，配發餐食和處方🕵️‍♂️，提供遠程醫療服務。

l  隨著人與人之間的傳染，疫情範圍擴大，快速部署機器人可立即加強臨床治療能力，避免患者直接接觸，並實現公共衛生專家和傳染病專家聯合提供遠程支持👦🏻。在此階段🤳，機器人的主要任務是保護醫護人員和弱勢群體，助力快速測試。

l  當疫情全方位爆發，公共衛生和安全機構可以部署機器人對大型公共場所進行檢疫和消毒🫃🏻。由於一定數量的人口被隔離，用於物流、食品和基本醫療用品運輸💶、遠程醫療的機器人必不可少。封城會給當地和全球的經濟👨🏿‍🦱、教育、社會生活和人民健康帶來巨大壓力🧕🏽。在此階段🤹🏻，除了需要保護醫護人員和弱勢群體之外，醫療機器人還可以緩解因醫療支持需求激增而產生的壓力，幫助維持工作🔩✨、教育和日常生活的連續性。工業機器人在維持經濟產出方面也發揮著重要作用。

l  即使在大規模解封之後👨🏼‍🔧，人口重新流動，出入限製放寬，當地政策和自我克製在一定程度上仍會存在🪩。危機後階段的主要任務是防止感染新增🧑🏿‍🎤，保持公眾信心，維持經濟復蘇。

圖1 針對傳染病的機器人和自動化技術

（三）實驗室工作流程與測試

實驗室檢測和診斷對於傳染病管理至關重要。機器人在實驗室測試中的潛在應用如圖2所示，根據生物安全等級，所有涉及到的工作人員都應接受培訓並配備防護設備。機器人技術不僅可以提供人身保護，而且還可以最大程度地提高效率，從而在大量送入患者和臨床工作量激增時迅速擴大處理規模。

樣本采集：對於新冠病毒的篩查🪘，可以從患者的上呼吸道采集鼻咽和口咽拭子或洗液🧜🏼‍♂️，和/或從下呼吸道采集痰液，如患者患有嚴重的呼吸系統疾病Ⓜ️，為避免煙霧化風險，可在患者氣管內抽吸或采用氣管肺泡灌洗法收集樣本。樣本采集必須嚴格遵循感染預防與控製協議📕。同時還會使用其他臨床樣本，如血液和糞便▶️，屍檢材料（包括死者的肺組織或血清檢測）等。

樣本運輸：通常2-8°C是存儲和運送樣本的適宜溫度。考慮到運輸的延遲，病毒運送培養液的溫度要求為-20°C🧚🏻‍♂️，理想溫度為-70°C⛹🏼‍♀️。在運輸過程中，密封的存儲袋存儲在泡沫塑料盒中。運輸過程應嚴格遵守當地法規。未來樣本的運輸將考慮傳感和自動化🧑🏿‍🏭，包括連續溫度控製、環境監測與跟蹤，自動導航車或無人機。

實驗室測試：實驗室對新冠病毒的確診是基於通過NAAT（例如RT-PCR）檢測SARS-CoV2 RNA序列的結果，並通過核酸測序進行確認👰🏿。目前微生物實驗室中最小規模用戶幹預已經采用了實驗室自動化👨🏼‍🔧。當實驗室的測試量非常大時，自動化至關重要。

圖2 實驗室工作流程和測試

二、抗疫機器人系統的研究現狀

在2015年埃博拉疫情爆發期間，白宮科技政策辦公室和美國國家科學基金會已經確定了抗疫機器人技術的三大領域（臨床護理、物流和偵察）。新冠疫情再次凸顯了技術在應對傳染病中的核心作用。新型機器人技術包括臨床護理🧏🏼，公共安全🧑🏽‍🎄，實驗室與供應鏈自動化，院外護理，生活質量🍻、工作和教育的連續性，代表性產品如圖3所示🧜🏽‍♂️。

在臨床護理期間，機器人可以幫助采集生物樣本和遠程診療。前者包括用於執行插管或取拭子的機器人；後者包括用於現場即時診斷、重症監護病房和外科手術的遙控機器人🔈。目前最需要機器人進行臨床診斷和ICU監視/治療/護理。

監測和診斷是防止傳染病蔓延的一項重要步驟，從簡易措施（如溫度監測）到更具臨床意義的檢測方法（如鼻咽拭子，口咽拭子以及無症狀受試者的抗體血液檢查）🧓🏼。機器人可以用於體溫監控與緊急救援，如機器人Lio、Chatbot、AmbuBot；機器人還可以用於消毒，現有的大多數消毒機器人都安裝在AGV上；無人機目前已被用於協助監視傳染病，以及流行病學或微生物學研究🖥。

在新冠疫情期間，用於實驗室和供應鏈自動化的機器人也顯示出了提高效率和避免交叉感染的潛力🚵🏼。配送與物流方面對機器人的常見要求是負責醫院物流📊、路徑規劃👳🏼‍♀️、定位和3D地圖重建👨‍🏭。近年來🧑‍🦲，隨著自動駕駛汽車和AGV的發展，這些技術已經成熟🚴🏿。這類機器人的代表有HelpMate🧚‍♂️💁🏽‍♀️、SpeciMinder⇒、Pathfinder等。

在院外護理，生活質量，工作和教育的連續性方面💆🏻‍♀️，在院外使用機器人進行護理、社交互動和教育來保證經濟運行和工作的連續性。護理機器人可以替代臨床人員照顧在家中療養的患者。在傳染病傳播的情況下，這些系統可以幫助分流，支持家中監測患者，從而降低感染風險。社交輔助機器人可以幫助患者（尤其是老年人）遵循其飲食和治療方案，甚至進行體操鍛煉和娛樂活動。

圖3 可用於抗疫的機器人系統示例

三、通用技術

盡管機器人技術具有巨大的潛力🤾🏻，但其目前的應用仍然受到限製，而且尚未為大規模部署做好準備，還需要學術界，企業和政府之間在研究和協作方面全力配合。當前要務是評估好目前機器人技術和相關基礎技術的最新水平，圖4總結了部分密切相關的技術內容，包括傳感與成像、遙控、導航、人機交互、機器人的機器學習等。

（一）傳感與成像

有效的傳感是傳染病管理的基礎💁‍♂️😿。關鍵生命體征包括體溫、呼吸頻率、脈搏頻率⚫️⛹🏻‍♂️、氧飽和度和血壓👈🏽。新冠疫情期間，紅外線非接觸式熱像儀被廣泛使用。除了整套的SARS-CoV-2測試和快速診斷設備，X光和CT的使用也證明了其提供診斷和篩查的能力🕋。POC肺部超聲也可用於管理新冠肺炎患者，機器人輔助遠程超聲系統可進行心肺評估。近期，UTE‐MRI為感染後患者的公開篩查和系列檢查敞開了大門🔳，可評估治療措施的有效性及其長期副作用的情況。

（二）遠程診療

遠程診療可以遠距離提供專業的醫療服務🤌🏽🤳🏼，無需患者和專家同時在場⏭，尤其是當患者位於難以獲得專業醫療服務的偏遠地區時，這一點非常重要。遠程機器人可以提供的現有功能包括：醫患之間的雙向音頻和視頻通訊；測量（例如生命體征和其他生物標誌物），臨床數據收集和評估；與患者的遠程和移動交互👁‍🗨；普通咨詢🏨🚒，遠程操作和幹預。

（三）導航

自導航機器人目前技術成熟，可以在疫情期間挽救生命👧🏿。為抗疫而部署的許多機器人系統已經具備導航技術，例如路徑規劃♢、避障、定位和監控。其它對於醫療機器人的技術要求包括將成像和傳感集成到機器人中，以實現自主或半自主導航。為此👩🏿‍🚀，機器人需獲取術前和術中的患者數據🙍🏼‍♀️，通過數據指導來協助臨床團隊。機器學習的集成會使相關信息和知識的自主提取成為可能✋🏼，從而有助於做出更佳的決策和幹預指導🏄🏽‍♂️🕊。機器人導航還需要機器人對場景和互動擁有正確的語義理解和表示。

（四）人機交互

人機交互旨在在機器人系統與人之間建立單向或雙向通信/交互。當前的技術主要包括🎗：手勢；語音和語言；腦機接口9️⃣⚔️；註視控製；采用觸覺反饋進行物理交互。物理上的人機交互可以是人與機器人之間進行遠程操作或協作操縱的主控輸入👩‍💻。這種操作模式用於與多自由度工業或醫療機器人進行交互，來完成常規任務🤹🏻‍♂️，例如對象處理或靈敏操控🚊。

（五）機器學習

機器學習是機器人進行疾病檢測和診斷等諸多自主功能的基礎。當前的檢測和診斷方法主要包括核酸檢測、血清診斷，X光和CT圖像檢查以及其他無創性方法🏃。目前研究人員為藥物和疫苗的研發開發了各種機器學習方法，包括強化學習🪣、深度Q網絡，遞歸神經網絡。例如👩🏻‍⚖️，有專家提出了一種基於深度學習的藥物-靶標相互作用模型來預測新冠病毒的潛在藥物作用🧑‍🍳。機器學習方法也已用於預測新冠肺炎患者的死亡率♠︎，疫情蔓延趨勢和生物標記物選擇🫣。

圖4 抗疫機器人的通用技術

四、特殊挑戰

以2015年埃博拉和當今的新冠肺炎來看🎞，技術在應對疫情中發揮著核心作用。但是到目前為止，正如我們在經歷疫情時所目睹的那樣🧑‍⚕️，大部分應用的技術還沒有專門針對傳染病進行規模設計。盡管當前使用的機器人所采用的技術已足夠成熟🦍👩‍🦰，但仍有許多特殊的技術挑戰需要解決。那麽，我們從近年來的疫情中學到了什麽？根據不同科學領域中所有最新技術的發展👨‍👧‍👦，未來的機器人技術又將如何發展？我們如何為抗擊下一次的疫情作好準備🙅🏻‍♀️？圖5展示了部分重要議題，包括應用、技術和挑戰。

（一）找準核心、加強技術

為了充分發揮技術效果➔💆🏻‍♀️，新一代機器人必須可靠、安全，並在需要時可快速部署。機器人的技術成熟度是一個重大挑戰👨🏻‍⚖️，因為如果機器人產生故障，隱藏的人工成本或“笨拙的自動化”會產生新問題🔳，進而增加回應者的工作量❤️‍🔥，同時負面的用戶體驗會讓技術創新舉步維艱。

（二）對症下藥、運籌帷幄

在實驗室自動化和物流方面，機器人具有巨大的潛力來應對疾病爆發。在緊急情況下，社會需要快速、有效和可靠的方式每天對診斷樣本進行高通量處理📩，追蹤病毒，了解相關流行病學並抑製蔓延。

（三）以人為本、完善交互

新一代機器人需要與終端用戶進行更好的交互。更高級的傳感器技術將使機器人能夠安全地與環境互動，包括物體🌜、人和其他機器人。達到這一效果也要求機器人具有更高的靈活性和部署包容力🔢。

（四）直面倫理🦸🏼、深思熟慮

機器人自主性，以及它們與人類互動的增加，也對倫理和安全方面構成了挑戰🥦。數據（包括私人信息）升級了機器人，尤其是在醫療保健環境中運行（如疫情期間）的機器人👱🏽‍♂️。因此，考慮潛在的倫理和法律問題至關重要🙆🏿‍♂️，包括隱私權、所有權、數據治理和信任🫵🏼。

（五）八方合力🎠，舉世齊心

評估機器人技術如何在疫情之後幫助建立新規範，不僅要考慮即時修復的問題👱‍♂️👩‍👩‍👦‍👦，還要考慮長期方案❌，同時考慮企業、物流⛓️‍💥、製造與供應鏈、運輸、醫療保健、協作研究與教育的根本變化。為了應對上述挑戰，需要全球持續努力，使機器人技術為下一次疾病爆發做好準備🤸🏻。這意味著機器人專家，醫療保健專家和政府等各方人士應聯合製定方案，采取行動刻不容緩。

圖5 機器人技術應對傳染病的挑戰

原文鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabf1462

作者🎐：張悅

審核：高安柱

責編：陳衛東

供稿單位：醫療機器人研究院