30多年前，人们开始探索将机器臂用于外科手术。20年前，第一个商业系统在医院安装。在过去的十年中，医疗机器人领域取得了突飞猛进的进步。目前，世界各地已安装的机器人手术系统达数千个，已经进行的手术达数百万例。随着医疗系统对手术机器人的接受程度越来越高，机器人领域的研究者们越来越关注下一代医疗机器人的样子。
作者首先通过在Web of Science上搜索2010-2020年发表的关于医疗机器人的高被引论文，确定了8个热门主题。这些热门主题可以是与特定的临床应用相关（如腹腔镜检查机器人），也可以是与在医学上有广泛应用的使能技术相关（如软体机器人）。
10年来8个热门话题的临床应用实例
如左上图所示，工程和医学类期刊上关于医疗机器人的文章从1990年的6篇大幅增长到2020年的3,500多篇。由于达芬奇机器人的成功，腹腔镜机器人的论文占到医学类期刊论文总数的60 - 70%，2020年发文量达到1,300多篇论文。随着这项技术的成熟，腹腔镜工程类论文在2019年达到峰值126篇。
开放平台内窥镜手术机器人Open platform laparoscopic robots
外科手术自动化Surgical automation
导航、术中成像和可视化Navigation, intraoperative imaging, and visualization
接触力感知与控制Contact force sensing and control
单断口内窥镜手术机器人Single-port laparoscopic robots
可分离外科手术机器人Detached surgical robots
非内窥镜手术专用机器人Nonlaparoscopic procedure–specific robots
腔内和自然开口手术Endoluminal and natural orifice surgery
微外科手术Microsurgery
辅助可穿戴机器人
辅助可穿戴机器人专注于机器人的设计和控制，旨在提高肌肉骨骼或神经肌肉损伤个体的机动性或功能性。这一领域突出的进展包括为上、下肢截肢患者开发的机械假肢（也称为动力假肢），为神经肌肉损伤患者，如脊髓损伤、中风、多发性硬化症或脑瘫患者开发的外骨骼（也称为动力矫正器）。尽管这个领域其历史根源至少可以追溯到20世纪60年代初，但直到2010年~2020这十年，人们才完全意识到该技术的出现。
治疗康复机器人
在2010-2020年间，康复机器人的研究主要集中在四个领域。第一个是新颖的外骨骼样式设计，关注上肢的远端关节，并在驱动和结构上都融入了柔顺性和软体材料。第二是新控制算法的开发，以调节人与机器人之间的交互，以最大限度地提高人的参与性。第三是意图检测方法的创造，以推断和支持病人想要的动作，而不是规定或预先编程机器人运动轨迹。第四是对神经恢复进行客观和定量评估的机器人装置的推广使用。
未来的研究工作将越来越集中于更好地理解神经可塑性的机制，包括如何可靠地诱导和利用它，以最大限度地提高治疗效果。这些努力越来越依赖于神经科学的进步，包括记录神经元活动的新技术。机器人技术的进步也对实现这些目标至关重要，包括开发更适合的设备和更精确的传感和驱动技术，嵌入到康复机器人上，识别上肢和下肢末端的自由度，最大程度促进肢体从新获得独立运动能力、恢复其功能。最后，先进的控制算法可以更精确地实时描述患者的状态，不仅可以调整完成运动所需的设备支持水平，而且还可根据需要施加适当的阻力或挑战。
胶囊机器人
传统的胶囊机器人采用嵌入式驱动，即利用内部的微型运动机构控制胶囊运动。然而，将复杂的机构，包括充足的电源装置，都集成到一个胶囊里（典型胶囊的直径仅有11mm，长24mm），是非常不切实际的。
为解决上述局限性，磁驱动应运而生。磁性耦合的使用绕过了复杂的机构和嵌入式电源，从而减小了设备的整体尺寸和复杂性。这种驱动方式通过外部产生的磁场来精确地控制胶囊的定位和诱导相对运动。医用胶囊机器人现已成为临床上可行的标准介入内窥镜检查的替代品。
下一个10年，结合多模态成像（如多光谱、自体荧光、微超声）和微/纳米机器人技术，胶囊机器人的智能磁控制可能会带来前所未有的诊断和治疗能力。除了临床用途，胶囊机器人还可以作为一个研究平台，深入人体内部解决其他科学问题，如微生物群。
医学软体机器人
软体机器人本质上是柔顺结构和智能材料，从一开始就与仿生学和生物灵感密切相关。另一方面，人们对柔顺体仿生机器人日益增长的兴趣，也促进了智能材料的研究，这些智能材料可从宏观尺度到纳米尺度，用于制造软体机器人或为其提供传感和驱动能力。
回顾过去10年的文献，有许多关于软体仿生机器人各种各样应用的基础性综述或调查性论文，也有许多关于新型智能材料的研究论文和综述，其中，传统的硅基传感技术被具有智能行为的硅基技术所取代。
就过去10年的高被引论文，排除材料研究论文和调查性论文，可以将软体机器人分成两类:一种是用于康复或人体增强的可穿戴软体机器人。第二种包括介入和外科手术机器人或相关组件。
医用连续机器人
连续体机器人通过弯曲变形而不是通过离散关节来改变形状，与传统的机器人机构相比，由于能够实现3D变形，这种机器人可通过更小的手术通道进行手术。它们可以通过自然开口进入人体内，通过体内腔导航，在通过实体组织时绕过关键结构。与传统设计相比，连续体机器人的弯曲顺应性也提高了其安全性。
结论
医疗机器人学术研究的进步，将使未来的工程研究前途无量。这需要了解机器人及其底层技术如何使医学增值。尽管在几乎所有其他行业，普遍认为机器人作为自主体以降低人力成本，但医疗机器人，至少到目前为止，都是在非应用方面（application-dependen）带来附加值。
在指导机器人技术研究以实现增值最大化的过程中，最重要的技术目标是实现完全新型的干预，这些干预在目前看来，是基于现有技术所无法实现或者不切实际的。在未来十年，软体机器人很可能成为一项非常重要的使能技术。目前大部分最有前景的工作都是在材料领域，涉及带有嵌入式传感器和驱动器的薄聚合物层制造。虽然目前这项工作看似与医疗应用很遥远，但这些能力可能会对介入、康复和辅助机器人产生巨大影响。其他的传感、成像、驱动和储能等使能技术可能会为消费类电子产品带来跨越式发展。
一项技术除了能够催生出一种新的手术型式外，如果它可以使医疗机器人增值，那意义也是非凡的。术前和术中成像与灵活的、符合人体工程学的增强手术工具相结合就是一个很好的例子，代表了过去10年的重大贡献。这种方法的价值可能在未来还会持续。将实验室细胞和分子成像转化到体内原位手术中，为宏观和细胞级的治疗提供改善的组织探测、标记和靶向，将进一步扩大手术干预的功能能力。通过简化术中决策制定与优化，并使其具有更高的一致性和准确性，避免潜在的术后并发症，该方法能够从根本上改变手术路径规划。
另外一种机器人增值的方式是通过自主性。医疗机器人自主性的技术前沿，对应于赋予机器人基于实时传感器数据制定和改变其计划和运动的能力。例如自主腹腔镜手术切除癌性病变或自主经导管心脏瓣膜修复。这种程度的自主不仅带来了技术上的挑战，还带来了监管、伦理和法律方面的挑战，这些问题尚未完全解决，并将提高商业化成本。因此，在现有的医疗机器人中逐步增加这种自主功能将会容易得多，这些机器人的价值可以在不考虑自主功能的情况下得到证明。例如腹腔镜手术的自动缝合，灵活内窥镜的自主导航，或心脏内自主电生理导管定位。
