Роботы прошлого

С древних времен человечество пыталось использовать машины для облегчения своего труда, выполнения наиболее тяжелой работы, требуемой значительных физических усилий. Однако, в IX в до н.э, впервые подобное устройство было предложено для развлечения.

Рисунок 1.1 - Архит Тарентский (428-327 г до н.э.) и его летающая машина

Следующим шагом стало изобретение древнегреческим математиком Ктесибием Александрийским (285-222 г.г. до н.э.) в 250 году до н.э. хитроумных водяных часов, названных клепсидрами, ставшими самыми точными определителями времени вплоть до изобретения в XVII веке голландским физиком Христианом Гюйгенсом маятника для поддержания незатухающих колебаний (Рисунок 1.2)

Рисунок 1.2 - Клепсидры (водяные часы): а — внешний вид; б — разрез;

1 — трубка подачи воды из постороннего источника; 2 — фигура, из глаз которой вода капля за каплей равномерно поступает по трубке 3 в резервуар 4; 5 — пробка с укреплённой на ней фигурой 6, показывающей палочкой время на цилиндрическом циферблате 7; 8 — трубка сифона, по которой в конце суток вода вытекает из наполненного резервуара 4, поворачивая цилиндр 7 вокруг вертикальной оси на 1/365 часть окружности

Великий итальянский ученый, анатом, естествоиспытатель, художник и архитектор Леонардо да Винчи (1452-1519) (Рисунок 1.3) создал несколько так называемых манекенов, способных выполнять запрограммированные действия.

• :¾

Рисунок 1.3 - Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.)

В его коллекции нашлось место механическим птице и льву способному ходить, подниматься на задние лапы и даже преподнести букет лилий королю Франции.

механический манекен в форме вооруженного рыцаря, получивший название «Робот Леонардо» (Рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - «Робот Леонардо». Реконструкция по схемам Леонардо до

Винчи

В эпоху Возрождения имели место еще несколько случаев создания подобных манекенов. Наиболее знаменитыми стали женщина, играющая на лютне, созданная Джианелло Ториано в 1540 году и ребенок Пьера Жаке Дро, представленный в 1772 году.

В 1801 году был предложен для применения автоматизированный ткацкий стан узорчатых материй, способный к программированию при помощи перфокарт, сходными с картами, применявшимися для программирования ЭВМ в 1960-70-х годах. Автором данного устройства стал французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар (1752-1834), а стан получил название «Машина Жаккара» (Рисунок 1.5).

В современной истории впервые слово «робот» применил чешский писатель Карел Чапек (Karel Capek) (Рисунок 1.7) в своей научно-популярной пьесе «R.U.R» (Rossum’s Universal Robots) в 1923 году [15].

Рисунок 1.7 - Карел Чапек (1890-1938 гг.)

Слово «робот» происходит от чешского слова «robota», обозначающего тяжелый физический труд. Действие пьесы происходит в недалеком будущем, где роботы были созданы и продавались для выполнения тяжелой работы. С течением времени роботы стали высоко-интеллектуальны, приобрели способность к мышлению, принятию независимого решения, а также осознали свое ментальное и физическое превосходство над людьми. В последующем, объявив войну всей человеческой расе, роботы победили и уничтожили все живое на планете.

Айзек Азимов (Isaac Assimov) (Рисунок 1.8) в романе «Хоровод» (Runaround, 1942) предложил для использования слово робототехника и сформулировал так называемые законы робототехники, которые стали непреложными для многих писателей [3].

Первые функциональные роботы появились в середине XX века. В 1954 году Джордж Девол (George Devol) и Джо Энглебергер (Joe Engleberger) разработали роботическую руку, управляемую посредством электронного контролера. Движения руки программировались и осуществлялись при помощи гидравлической системы. Данное устройство получило название «Анимэйт (Unimate)» (Рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 - Роботическое устройство Unimate

Впервые роботическая рука была применена на конвейерах сборки автомобилей компании Дженерал Моторс (General Motors). Дальнейшее развитие устройство приобрело в 1978 году, когда Виктор Шейнман (Victor Scheinman) предложил свое изобретение под названием «Универсальная программированная рука-манипулятор» (Programmable Universal Manipulation Arm (PUMA)). Основными отличиями от предыдущей модели стали наличие большей свободы движений и способности выполнять более сложные технические задания. Более того устройство PUMA оснащалось электроприводом. Все это позволило изобретению стать эталоном промышленного робота на многие годы.

К настоящему времени функциональные роботы продолжают развиваться и уже способны не только самостоятельно передвигаться (Cart, Genghis, Shadow Biped), но и взбираться по лестницам и переносить грузы (Asimo, Honda), играть на музыкальных инструментах (Partner), изображать домашних животных (Aibo, iCybie), собирать образцы породы на Марсе (Sojourner), обеспечивать работу международной космической станции (SSRMS), а также участвовать в поиске и спасении людей в чрезвычайных ситуациях.

Роботизированные технологии приобретают все большую популярность в медицинской отрасли. Многочисленные роботические системы были предложены для помощи инвалидам и пожилым людям. Автоматические программируемые инвалидные кресла облегчают жизнь пациентам с частичной или полной утратой способности передвижения.

Существует целый ряд роботических решений для применения в системе здравоохранения без непосредственного контакта с пациентами. К ним относятся лабораторные и транспортные системы [54, 73]. Роботизированные лабораторные комплексы способны обеспечить бесперебойное функционирование многопрофильного учреждения с минимальной затратой человеческих ресурсов, что несомненно является экономически выгодным аспектом [77].

История развития хирургических роботических систем начинается с использования в нейрохирургической манипуляции в 1985 году системы Programmable Universal Manipulation Arm (PUMA) 560 для выполнения точечной биопсии головного мозга под КТ наведением [51] (Рисунок 1.10). К настоящему времени применение данной технологии прекращено по соображениям безопасности.

В 1988 году для выполнения автоматизированной трансуретральной резекции простаты (ТУРП) была разработана роботическая система Probot. В том же году была выполнена первая ТУРП. Для этого в предоперационном периоде была сконструирована 3-D модель простаты, края резекции были очерчены хирургом, а траектории движения резектоскопа рассчитаны роботической системой [21].

Robodoc [IBM] стала первой роботической системой, предложенной для применения в ортопедии при протезировании тазобедренных суставов [6]. В последующем появлялись более усовершенствованные модели, обладающие способностью в автоматическом режиме выполнять необходимые манипуляции для завершения процедуры замещения тазобедренного сустава (Caspar system, Acrobot) [46] (Рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 - Роботическая система Acrobot (Caspar system) [58]

К началу 1995 года была разработана нейрохирургическая роботическая система Minerva, использующая данные динамического КТ, что позволяло вносить коррективы в ход процедуры в режиме реального времени.

В 1994 году компания Computer Motion изготовила первого робота-хирурга, получившего сертификат US FDA - Automated Endoscopic System for Optimal Positioning (AESOP). Изначально, система разрабатывалась NASA для космической программы. Это была механическая рука, предназначенная для автоматического изменения положения эндоскопа. Двумя годами позже AESOP "приобрел" слух и смог выполнять голосовые команды хирурга (Рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 - Роботическая хирургическая система AESOP [43]

К 1998 году модель AESOP 3000 обладала семью степенями свободы. Система прикреплялась к операционному столу и посредством различных переходников и адаптеров обладала способностью удерживать и манипулировать эндоскопом. Ряд авторов сообщили о преимуществах данной системы над ассистентом при управлении лапароскопической камерой [48]. При этом было проведено сравнительное исследование, в которое были включены 11 пациентов. Были выполнены билатеральные оперативные вмешательства, причем при операции с одной стороны ассистировал специалист, а с другой стороны камерой управляла роботическая система. Авторы не отметили какого-либо отличия в продолжительности операции, однако, хирурги себя чувствовали комфортнее при роботической ассистенции. Группа урологов из John Hopkins Hospital провели целый ряд операций с использованием системы AESOP, включая нефрэктомию, ретроперитонеальную лимфаденэктомию, пиелопластику, операцию Берча, орхопексию и нефропексию.

Роботическая система AESOP препроводила лапароскопическую хирургию в эру робот-ассистированной. Система смогла полноценно заменить ассистента при выполнении различных операций, предоставляя одновременно хирургу идеальную видимость и точность движений. К 1999 году более 80 000 оперативных вмешательств было выполнено с использованием технологии AESOP.

Следующим шагом в эволюции роботической хирургии стало развитие дистанционной теле-роботической хирургии. Концепция данного проекта состояла в том, что хирург находится у консоли, а компьютер транслирует его движения на манипуляторы расположенные в организме пациента. Непосредственно теле-робот должен находится у операционного стола и быть способным манипулировать не только камерой, но и несколькими «руками» с инструментами. Разработки в области роботической дистанционной телемедицины были одновременно начаты тремя государственными организациями в США, что привело к созданию военного прототипа, способного обеспечить помощь раненным непосредственно на поле боя. При этом хирург находился глубоко в тылу и осуществлял манипуляции дистанционно при помощи телевизионной трансляции [24].

Компания Computer Motion разработала и представила роботическую систему ZEUS в 1990 году [78]. Основана система на базе AESOP и обладает двумя подсистемами - хирурга и пациента. Подсистема хирурга состоит из консоли с видеомонитором и двумя рукоятками, контролирующими работу манипуляторов. Манипуляторы удерживают инструменты. Консоль хирурга может быть расположена в любом месте в пределах операционной. Подсистема пациента состоит из трех роботических рук прикрепленных к операционному столу (Рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 - Роботическая хирургическая система ZEUS (Computer Motion). (А) подсистема хирурга; (В) подсистема пациента

В последующем был предложен более эргономичный вариант, в котором присутствовала система AESOP для управления камерой. Компьютер во время операции следил за инструментами и передавал информацию камере для полноценной их визуализации. Более того именно компьютерный интерфейс модифицировал движения рук хирурга в движение роботических манипуляторов.

Оптическая система была предоставлена компанией Karl Storz system (Karl Storz Endoscopy, Santa Barbara, CA). Для создания 3D эффекта был предложен интересный подход. Две камеры - правая и левая, изолированно передавали сигнал со скоростью 30 кадров в секунду. Компьютер превращал их искусственно в 60 кадров в секунду и передавал их на монитор хирурга. Для работы хирург должен был надевать специальные очки, позволяющие воспринимать сигналы и модифицировать их в 3D визуализацию.

Изначально хирургическая система ZEUS была создана для кардиохирургических манипуляций и лишь затем произошла ее валидизация в других специальностях (общая хирургия, гинекология и урология). Несмотря на работы, сообщающие об успешном выполнении серий кардиохирургических операций, система обладает целым рядом ограничений. Громоздкость системы создает выраженную сложность в формировании операционной. Неправильное расположение трокаров полностью блокирует выполнение всего оперативного вмешательства. Отсутствие тактильной чувствительности диктует хирургу необходимость полагаться на собственную интуицию в ряде моментов. При этом сами инструменты обладают лишь шестью степенями свободы. Самым главным ограничением является 3D визуализация. Необходимость наличия специальных очков для преобразования 2D в 3D сигнал резко затрудняет выполнение операций. Более того, смоделированный компьютерным интерфейсом 2D сигнал без очков выглядит размыто и не позволяет чувствовать себя комфортно ассистенту и хирургу при снятии очков. Но главным различием системы ZEUS от других роботических систем является тот факт, что компания Computer Motion создала интегрированный роботический продукт для операционной вместо иммерсионного интуитивного интерфейса. Именно этот факт позволяет системе выступать лишь, как ассистент, а не как оперирующий хирург. Все попытки компании популяризировать свой продукт сошли на нет в 2003 году, когда компания Intuitive Surgical поглотила компанию Computer Motion, ознаменовав тем самым завершение времени существования хирургической роботической системы ZEUS.

1.1.3