افزودن قدرت بینایی به ربات جراح

دکتر دنیال فِر که چند فوت دورتر از ربات دارای بازوی بلند روی چهارپایه‌ای نشسته بود، انگشتانش را دور دو دسته فلزی نزدیک سینه‌اش پیچاند. همان‌طورکه او دسته‌ها را به‌سمت بالا‌و‌پایین و چپ‌و‌راست حرکت می‌داد، ربات هر حرکت کوچک را با دو بازویش تقلید می‌کرد. هنگامی‌که او انگشت شست و سبابه‌اش را به‌هم فشار داد، یکی از پنجه‌های کوچک ربات نیز همین کار را انجام داد. این روشی است که جراحانی مانند دکتر فر مدت‌ها است هنگام انجام عمل جراحی روی بیماران با استفاده از ربات‌ها از آن استفاده می‌کنند. آنان می‌توانند درحالی‌که پشت کنسول کامپیوتر در اتاق نشسته‌اند، پروستات بیمار را جدا کنند.

پس از این نمایش کوتاه، دکتر فر و همکارانش در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی نشان دادند چگونه امیدوار هستند این رویه را پیشرفته‌تر کنند. دکتر فر دستگیره‌ها را رها کرد و نرم‌افزار کامپیوتری جدیدی کار را به‌دست گرفت. همان‌طورکه او و پژوهشگران دیگر در حال تماشا بودند، ربات مستقلا شروع به حرکت کرد. دستگاه با یک پنجه حلقه پلاستیکی کوچکی را از میخ کوچکی روی میز بلند و آن را از پنجه‌ای به پنجه دیگر منتقل کرد و در طول میز جابه‌جا و با احتیاط به میخ جدیدی قلاب کرد. ربات این کار را با چند حلقه تکرار کرد و آن را به‌خوبی به‌پایان رساند.

این تمرین آموزشی ابتدا برای انسان‌ها طراحی شده بود. انتقال حلقه‌ها از میخی به میخ دیگر همان روشی است که جراحان به‌کمک آن یاد می‌گیرند با ربات‌هایی مانند ربات برکلی کار کنند. براساس مقاله جدیدی از تیم برکلی، اکنون ربات خودکاری که این آزمایش را انجام می‌دهد، ازنظر مهارت و دقت و سرعت می‌تواند به انسان برسد یا حتی از او فراتر رود.

به‌گزارش نیویورک‌تایمز، پروژه مذکور بخشی از تلاشی بسیار گسترده‌تر برای آوردن هوش مصنوعی به اتاق‌عمل است. پژوهشگران با استفاده از بسیاری از همان فناوری‌هایی که زیربنای خودروهای خودران و هواپیماهای بدون سرنشین خودکار و ربات‌های انباردار است، می‌کوشند ربات‌های جراحی را نیز خودکار کنند. این روش‌ها هنوز فاصله زیادی تا استفاده روزمره دارند؛ اما پیشرفت درزمینه آن‌ها در حال شتاب‌گرفتن است. راسل تیلور، استاد دانشگاه جانز هاپکینز و پژوهشگر سابق IBM و مشهور به پدر جراحی رباتیک گفت: «این زمانی هیجان‌انگیز و همان جایی است که بیست سال پیش آرزو می‌کردم در آنجا باشیم.»

هدف این نیست که جراحان را از اتاق عمل خارج کنیم؛ بلکه می‌خواهیم از کارشان کم کنیم و با خودکار‌کردن مراحل خاصی از جراحی در برخی موارد احتمال موفقیت را افزایش دهیم. دقت ربات‌ها در برخی از رویه‌های جراحی مانند قراردادن پین درون استخوان که مخصوصا در جریان تعویض مفصل زانو و ران می‌تواند خطرناک باشد، می‌تواند از دقت انسان‌ها بیشتر باشد. پژوهشگران امیدوار هستند ربات‌های خودکار موجب افزایش دقت رویه‌هایی مانند برش و بخیه شوند و خطرهای همراه‌با کار بیش‌از‌حد جراحان را کاهش دهند.

کیت پژوهشی داوینچی، ربات جراحی که برای کمک و آموزش به جراحان برای جراحی با کمترین سطح تهاجمی‌بودن طراحی شده، انتقال حلقه از میخ‌ را در آزمایشگاه دانشگاه کالیفرنیا انجام داد.

گرگ هاگر، دانشمند علوم کامپیوتر دانشگاه جانز هاپکینز، معتقد است پیشرفت اتوماسیون جراحی بسیار شبیه سیستم نیمه‌خودران تسلا خواهد بود که در مواردی به کنترل راننده انسانی نیاز دارد. او گفت این کار حداقل به نظارت انسانی نیاز خواهد داشت؛ اما می‌توانیم شروع به ساخت ابزاری کنیم که زندگی جراح را کمی راحت‌تر کند.

پنج سال پیش، پژوهشگران با همکاری سیستم بهداشت ملی کودکان در واشینگتن رباتی طراحی کردند که می‌توانست به‌طورخودکار روده‌های خوک را در عمل جراحی بخیه بزند که گام مهمی رو به‌سوی آینده‌ای بود که دکتر هاگر در ذهن داشت. البته در این پروژه، پژوهشگران نشانگرهای ریزی در روده‌های خوک کاشته بودند که نور مادون‌قرمز نزدیکی ساطع و به هدایت حرکات ربات کمک می‌کرد. این روش چندان عملی نیست؛ زیرا نشانگرها به‌راحتی کاشته یا حذف نمی‌شوند.

در سال‌های اخیر، پژوهشگران هوش مصنوعی به‌طور درخورتوجهی قدرت بینایی کامپیوتر را بهبود بخشیده‌اند که به ربات‌ها اجازه خواهد داد به‌تنهایی رویه‌های جراحی را بدون استفاده از چنین نشانگرهایی انجام دهند. این تغییر را شبکه‌های عصبی هدایت می‌کنند که سیستم‌های ریاضی هستند و با تجزیه‌و‌تحلیل حجم عظیمی از داده‌ها می‌توانند مهارت‌ها را یاد بگیرند. برای مثال، شبکه عصبی با تجزیه‌و‌تحلیل هزاران تصویر گربه می‌تواند یاد بگیرد که گربه‌ها را تشخیص دهد. تقریبا به همین روش شبکه عصبی می‌تواند از تصاویر گرفته‌شده ربات‌های جراحی یاد بگیرد.

دانشمندان بر این باورند که شبکه‌های عصبی درنهایت به ربات‌های جراحی کمک خواهند کرد تا مستقلا کار کنند

ربات‌های جراحی به دوربین‌هایی مجهز هستند که از هر عمل جراحی فیلم سه‌بُعدی تهیه می‌کنند. فیلم‌ها به منظره‌هایی ارسال می‌شود که جراحان هنگام هدایت عمل جراحی به آن نگاه می‌کنند و صحنه را از نمایی می‌بینند که ربات می‌بیند. این تصاویر نقشه راه دقیقی نیز فراهم می‌کند که نحوه انجام جراحی‌ها را نشان می‌دهد. آن‌ها می‌توانند به جراحان جدید کمک کنند تا نحوه استفاده از ربات‌ها را یاد بگیرند و به آموزش ربات‌ها برای انجام مستقل کارها می‌توانند کمک کنند.

شبکه مصنوعی با تجزیه‌و‌تحلیل‌ها تصاویری که نشان می‌دهد جراح چگونه ربات را هدایت می‌کند، می‌تواند همان مهارت‌ها را بیاموزد. این همان روشی است که پژوهشگران برکلی برای خودکارکردن رباتشان از آن استفاده کرده‌اند که مبتنی‌بر سیستم جراحی داوینچی یعنی دستگاهی با دو بازو است که به جراحان کمک می‌کند در سال بیش از یک‌میلیون رویه جراحی را انجام دهند.

دکتر فر و همکارانش تصاویری از ربات جمع‌آوری می‌کنند که حلقه‌های پلاستیکی را تحت کنترل انسان حرکت می‌دهد. سیستم آنان از این تصاویر یاد می‌گیرد، بهترین روش‌های گرفتن حلقه‌ها را شناسایی می‌کند، حلقه‌ها را بین پنجه‌هایش عبور می‌دهد و به میخ‌های جدیدی منتقل می‌کند. باوجوداین، این فرایند هنگام اجرا با مشکل خاصی همراه شد. وقتی سیستم به ربات می‌گفت کجا حرکت کند، ربات اغلب چند میلی‌متر دورتر از نقطه عمل می‌کرد. در طول ماه‌ها و سال‌ها استفاده، بسیاری از کابل‌های فلزی داخل بازوهای دوقلوی ربات اندکی کشیده و خم شده‌ بودند؛ بنابراین، حرکات به‌اندازه لازم دقیق نبود. اپراتورهای انسانی می‌توانند به‌طور ناخودآگاه این تغییر را جبران کنند؛ اما سیستم خودکار نمی‌تواند این کار را انجام دهد.

دانشمندان در مراکز مختلف در حال آزمایش رویکرودهای دیگری هستند. اکسل کریگر، پژوهشگر جانز هاپکینز و عضوی از پروژه بخیه خوک در سال ۲۰۱۶، تلاش می‌کند بازوی رباتیک جدیدی را خودکار کند که قطعات متحرک کمتری دارد و درمقایسه‌با ربات تیم برکلی رفتار باثبات‌تری دارد.

پژوهشگران مؤسسه پلی‌تکنیک ووستر آمریکا در حال ایجاد روش‌های برای ماشین‌ها هستند تا بتوانند دست جراحان را هنگام انجام وظایف خاص مانند واردکردن سوزن برای بیوپسی سرطان با دقت زیادی هدایت کنند. گرگ فیشر، یکی از پژوهشگران ووستر گفت: «این مانند خودرویی است که در دنبال‌کردن خطوط مستقل است؛ اما همچنان باید گاز و ترمز را کنترل کنید.»

البته دانشمندان متذکر می‌شوند در مسیر اتوماسیون جراحی موانع زیادی وجود دارد. در آینده نزدیک، اتوماسیون چیزی است که درکنار جراحان کار می‌کند و جایگزین آن‌ نخواهد شد؛ اما حتی همین اندازه نیز می‌تواند تأثیر زیادی بگذارد. برای مثال، پزشکان می‌توانند جراحی را از مایل‌ها دورتر انجام دهند و شاید بتوانند به سربازان زخمی در میدان جنگ دور کمک کنند.

درحال‌حاضر، تأخیر در سیگنال به‌حدی زیاد است که از چنین کاری مانع می‌شود؛ ولی اگر رباتی بتواند حداقل برخی وظایف را مستقلا انجام دهد، جراحی از فاصله دور می‌تواند عملی شود. دکتر فر در پایان می‌گوید:

می‌توانید طرح دقیق و باجزئیاتی بفرستید و سپس ربات آن را انجام دهد. همین فناوری برای جراحی از فاصله‌های دورتر نیز ضروری است... وقتی انجام عمل جراحی را روی افراد حاضر در ماه آغاز کنیم، جراحان به ابزارهای کاملا جدیدی نیاز خواهند داشت.