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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 創新之鑰 Innovation

早稻田藤江實驗室:軟體與硬體開發同樣重要

張舜芬

日本早稻田大學的藤江實驗室,由教授藤江正克領軍,著眼未來的超高齡社會,擘畫人與機器人共存的世界。藤江正克介紹早稻田大學之復健與醫療機器人發展概況時指出,腦部復健將是世界研究主流,日本政府已開始支援相關的機器人研究,且不只是學界、產業界也躍躍欲試;未來,復健與醫療機器人的軟體開發也將益發重要。

早稻田大學在機器人研究方面已有相當長久的歷史,1970年代初期即召集機械、資訊、材料,以及環境科學方面的專家,開發出生活輔助機器人,在醫療及社會福祉方面提供協助。

近年來少子化及高齡化帶來的人口結構改變,使得照護機器人的需求更為迫切。在日本文部省的 21 世紀學術卓越研究計畫(Center of Excellence; COE)中,早大提出的「高齡社會中人類與機器人共存科技」研究計畫,不只揭示醫療及復健機器人研究成果、例如機器人輔助手術,也發表基礎理論及科技研究成果,並定期與各國大型機器人研究計畫進行參訪交流。

「未來我們會看到機器人成為量身訂做的生活伴侶,技術上是由智慧感測搭配新型材料的開發應用,即使是老年人敏感脆弱的肌膚也可舒適穿戴,」藤江正克說,「與其開發出在工廠生產線上制式重複工作的機器人,我們希望開發出能與人類共存生活的機器人,讓我們的生活更方便、更愉快。」

早稻田大學菅野實驗室(Sugano Lab)開發的 TWENDY-ONE 機器人,就具有順應性關節功能,在機器臂上安裝彈簧,讓手指也能調整壓力大小,方便抓取軟硬不一、形狀複雜的物品,更適合協助家事及照護。例如拿取各式形狀和重量的日常生活物品,像是盤子、餐具、小家電,或者協助主人下床坐輪椅,打開冰箱拿取食物或烘烤麵包。

當照護機器人與人共處一個屋簷下,難免會有不經意的碰撞或意外,因此機器人的安全性十分重要,才能避免受傷。TWENDY-ONE 全身布滿先進感應器,可全方位偵測並追蹤人類活動。目前早稻田菅野實驗室除了持續開發 TWENDY-ONE 先進功能,也希望能在未來幾年內讓這款照護機器人成功量產。

醫療機器人 精確手術師

相較於外觀類似人形的陪伴照護機器人,醫療用輔助機器人的外型則較近似機器,實用性也更高,例如支援手術進行,或輔助進行復健。在早稻田大學與東京女子醫科大學合作的尖端生命醫學研究中心、TWIns實驗室裡,研究人員針對機器人的智慧發展,以及精準的活動能力,持續開發尖端醫療層面的應用。例如在癌症手術中,機器人能協助確實鎖定腫瘤,讓術後的傷口更小、效果更好。

雷射燒結是常用於治療癌症的一種手術,就是在腫瘤周圍置入探針,從探針尖端發射雷射燒灼癌細胞。這個方式因為能減少周圍組織的受傷面積,同時徹底消滅癌細胞,廣受矚目。然而因為人體組織柔軟不易定型,過往十分仰賴執刀者的經驗與技術,才能把探針放在對的位置。藤江實驗室與九州大學、東北大學共同開發的乳癌手術助理機器人,模擬經驗豐富醫師的姿勢與力道,在一定範圍內定位並計數癌細胞,精準控制探針,穿透組織,燒灼殺死癌細胞。

「機器輔助穿刺(needle assisted therapy centesis)是很重要的技術,尤其西方都是大針,但東方的針比較細小,像是要進行頸下靜脈注射,透過機器輔助,就可以確保不會傷到頸下動脈,大幅降低了風險。」藤江正克表示。

汲取名醫智慧 實現前瞻醫療

醫療機器人可以完成極細微的動作,即使是醫術高明的外科醫師也不見得做得到。如果能持續提高機器人的安全與穩定,有朝一日手術的成功與否,或許就不必全然仰賴醫師個人的經驗與醫術。但這並不意味著醫師被取代,而是醫師把機器人當作眼和手,透過監視器控制機器人的機械臂,不再需要依賴自己的主觀手感。

因為手術輔助機器人的出現,許多過往望之卻步、複雜高難度的手術,也再度掀起研究風潮。例如藤江正克的團隊與日本頂尖腦外科權威高倉公朋醫師合作,以豬腦模擬人體組織,持續測量計算再修正機器臂移動探針的參數,以提升機器人的效率和效能。

除了協助手術,機器人在乳癌的診察也可派上用場。例如機器人可藉由對患者胸部施壓,觀察變形程度來計算腫瘤的硬度,用以判斷乳房腫瘤的種類。如何將機器人的侵入性降到最小,在診斷及治療上做出貢獻,一直是藤江實驗室的目標。
不過研發過程畢竟是一條艱辛漫長的路,時間及人力成本都十分可觀,如果沒有保險公司或政府專案支應,經常得被迫中斷。例如腦神經外科相關手術,因為患者人數比例相對較少,且難度較高,且不在一般保險給付範圍之內,當保險公司無意贊助相關研究,藤江團隊就只好喊停。

客製化 讓機器適應人

藤江實驗室持續研究創新,而復健與醫療機器人在產業界的應用,近年在日本也日益受到重視,例如本態性顫振機器肘裝具開發,已獲得厚生省的資源挹注。目前藤江實驗室的重點機器人技術開發項目,還包括生物軟組織參數建模,以及骨盆支撐步行復健機器人。

生物軟組織參數建模技術,旨在提出人體組織生物力學參數的全新辨識方法,提升動態組織模擬的準確性。藤江實驗室在提案後也設計相應的機器臂系統,使用機器探針、醫療影像機制、數值模擬器等進行有限元素分析,將概念付諸實現。

另外也透過實驗系統以及生物組織模擬體進行實驗,確認新方法的效果。實驗結果顯示,楊氏(Young,提出楊氏參數研究)提出的生物體組織係數可透過實驗系統評估,也比較楊氏係數及電流計實際測得的記錄,確認藤江實驗室的提案及相關開發,已能確實精準地模擬器官表現。

骨盆支撐步行復健機器人,則是藉著蒐集生理資料反饋,偵測患者骨盆偏差值以及行動模式,確實調校復健機具,配合療程及患者進展靈活調整,隨時貼合患者需求。未來藤江實驗室也會持續優化感測器,像是在跑步機下方安裝偵測,記錄彙整患者每一步的重心與施力,提供給治療師參考。

藤江正克認為,未來的超高齡社會中,機器人的確可以為銀髮族群的生活帶來更多安全便利。然而,未來發展的重點,也需要能更廣泛地支應不同使用者的需求,包括能配合不同年齡、性別使用者,並要能客製化其功能。

格外重要的是,要有直覺化的控制介面及操作方式,畢竟銀髮族群的時間和體力都較為有限,易用、好用才能提高使用的頻率和意願,確實達成陪伴與守護。「要讓機器去適應人,而不是人去適應機器,」藤江正克說。

結合RT技術 開拓研究新疆域

對藤江正克來說,研究機器人就是研究未來的夢想;藤江正克也希望可以吸引更多年輕學者踏入這個領域,傳承夢想。目前藤江實驗室每月定期舉辦機器人工作坊,希望能增進大眾對機器人科技的了解。

「未來我們必須打破大眾認為機器人就是『機械』的想法。日本在顯微技術上遙遙領先,例如 RT 技術(Robot Technology,機器人科技)可以準確掌握人體特質和感受,像是飲料業者會模擬『液體流過喉嚨』的感覺,美容或紡織業者會捕捉『布料或潤澤』的感覺,還有汽車製造商量測『舒適乘車』的感覺。我希望未來研究機器人的學生們,也可以結合 RT 技術,往更人性化的領域發展。」藤江教授總結道。

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