科学家在观察导管导航至猪的心脏。（图片来源：Fagogenis 等人，Sci. Robot. 4, eaaw1977 (2019)）在黑暗环境中导航时，老鼠会用胡须扫过附近的物体来确定自己的位置。当动物探索时，它们会利用触觉来绘制不熟悉地方的地图。蟑螂和失明的克氏原蟹也使用类似的触角方法。现在，这种“靠感觉”的策略启发了一款机器人导管的诞生，该导管无需外科医生指导，就能在活猪搏动的心脏中找到自己的路径进行手术。研究人员表示，这项发现表明，在手术中使用不受外部控制的设备是可行的。总而言之，一个科学家团队在五只活猪身上完成了 83 次试验。导管在 95% 的情况下都能到达预定目的地，成功率与经验丰富的外科医生大致相当。但这项发明的实现并非易事。
导管的尖端装有一个触觉视觉传感器，由一个毫米级的摄像头和封装在硅胶中的 LED 组成。（图片来源：Fagogenis 等人，Sci. Robot. 4, eaaw1977 (2019)）“这可能是我做过的最难的事情，”领导这项新研究的波士顿儿童医院生物工程师 Pierre DuPont 说，他在医疗机器人领域工作了至少十年。“仅仅让系统本身在活体生物体内可靠运行就已经是一个很高的门槛。但除此之外，我们还要开发这些算法，让它能够在体内自主导航。”
心脏的孔洞
DuPont 最初认为自主导管的想法有点疯狂。但这类设备可以让外科医生专注于手术的更具体方面，从而提高患者的治疗效果。DuPont 和他的同事开发该设备是为了修复一种严重的疾病——心脏漏。心脏有四个腔室，腔室之间有瓣膜，瓣膜将血液保持在正确的方向流动。老年、慢性肾脏病和某些心脏病会导致主泵室与输送血液到身体其他部位的动脉之间的瓣膜收缩。医学上称为主动脉瓣狭窄的状况，可能导致胸痛、头晕、血栓、中风和心力衰竭。外科医生通过微创手术植入人工瓣膜来解决这个问题，这种手术不需要切开患者的胸部。但有时新瓣膜与周围的心脏组织之间会形成一个缝隙，导致漏血。这时，DuPont 和他的团队的机器人就派上用场了。
机器人导管导航至漏损的人工瓣膜位置的示意图。（图片来源：Fagogenis 等人，Sci. Robot. 4, eaaw1977 (2019)）
灵敏的技术
工程师们利用机器学习设计了一种导管，使其能够从心脏底部尖端导航到顶部附近的漏损瓣膜。导管尖端约有一枚硬币大小，配有 LED 灯和摄像头。它足够灵敏，能够感知是否接触到血液、心脏组织或瓣膜。它还能感知施加的压力有多大。研究人员将这种触觉与导管摄像头的成像结合起来，创造了一种具有“触觉视觉”的设备。就像老鼠的胡须和克氏原蟹的触角一样，导管通过反复接触组织并沿着心壁向目的地导航。由于该设备知道其施加的压力，因此在与心脏组织接触时不会对其造成损伤。就位后，外科医生会部署一个塞子来阻止漏血。研究人员在《*Science Robotics*》杂志上报告称，机器人导管的导航时间与外科医生手动引导导管的时间大致相同。DuPont 表示，这项工作证明了自主导管在技术上是可行的，而且这项创新可以通过让外科医生专注于关键步骤（例如为漏损的心脏部署塞子），而不是将精力分散在导航和放置塞子上，从而提高手术性能。然而，最大的好处可能是，自主医疗设备背后的人工智能会不断学习，DuPont 认为。他设想了一个未来，设备背后的程序将从所有其他设备中不断学习。在这样的未来，“突然间，每位与机器人合作的临床医生，其专业知识都能提升到最熟练者的水平，”他说。
