人工智能技術(shù)助推智能化咽拭子采樣機(jī)器人快速“上崗”

推介單位：中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)

受訪專家：孫富春

采編：倪妮

孫富春

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系教授、博士生導(dǎo)師、IEEE/CAAI/CAA Fellow、國(guó)家杰出青年基金獲得者、清華大學(xué)校學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系長(zhǎng)聘教授委員會(huì)副主任、清華大學(xué)人工智能研究院智能機(jī)器人中心主任、中國(guó)海洋工程研究院人工智能中心主任、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃?rùn)C(jī)器人總體專家組成員、中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)和中國(guó)認(rèn)知科學(xué)學(xué)會(huì)常務(wù)理事。

“請(qǐng)拿走身份證件，戴好一次性咬口器等待采集……”完成身份識(shí)別流程后，采樣機(jī)器人靈活、精準(zhǔn)地將咽拭子送入受試者口中，采樣時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)10秒;隨后自動(dòng)完成核酸樣本收集、封管與貼標(biāo)簽操作，整體采集流程不超過(guò)1分鐘。

自新冠肺炎疫情暴發(fā)以來(lái)，核酸檢測(cè)成為我們?nèi)粘Ｉ钪欣@不開的話題。大家應(yīng)該都做過(guò)核酸檢測(cè)，但有多少人體驗(yàn)過(guò)機(jī)器人全自動(dòng)、無(wú)人化、智能化的核酸檢測(cè)呢？目前，核酸采集需求的急劇增加迫使大量醫(yī)務(wù)工作者來(lái)到一線進(jìn)行核酸采集工作。一方面，人工核酸采樣容易產(chǎn)生由于過(guò)度疲勞和采集技能差異帶來(lái)的采樣過(guò)程不規(guī)范、核酸樣本不合格、受試者不舒適等突出問(wèn)題;另一方面，醫(yī)護(hù)人員不僅工作強(qiáng)度高，壓力大，而且還要面臨近距離接觸可能帶來(lái)的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述問(wèn)題，清華大學(xué)孫富春教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款視觸覺(jué)融合的全自動(dòng)、智能化咽拭子采樣機(jī)器人，目前已研發(fā)至第三代，即將在多家醫(yī)院“上崗”。

孫富春介紹，團(tuán)隊(duì)研制的第三代智能化咽拭子采樣機(jī)器人，在采樣的高效性、受試者的舒適性、樣本的有效性方面達(dá)到了更高的標(biāo)準(zhǔn)，并且實(shí)現(xiàn)了采集全程的語(yǔ)音與指示燈提示，保障受試者的安全。在進(jìn)行樣本采集時(shí)，受試者只需根據(jù)語(yǔ)音提示，刷身份證、領(lǐng)取一次性專用咬口器安放到指定位置，而后佩戴好咬口器，等待機(jī)器人自主完成采集流程即可。采樣機(jī)器人采用視觸覺(jué)融合感知技術(shù)，結(jié)合嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)限位與力控，保證了有效的采集力度和受試者的舒適度。當(dāng)被采集者發(fā)生輕微挪動(dòng)時(shí)，機(jī)器人可快速反應(yīng)，智能跟蹤完成采集。此外，機(jī)器人還引入了樣本有效性判定功能，采用深度學(xué)習(xí)和微流控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集樣本上皮細(xì)胞的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，提高采集樣本質(zhì)量。

該智能化咽拭子采樣機(jī)器人已在北京市昌平區(qū)醫(yī)院、朝陽(yáng)醫(yī)院、南通疾控中心、清華大學(xué)長(zhǎng)庚醫(yī)院進(jìn)行了近一萬(wàn)例的外場(chǎng)測(cè)試。目前，機(jī)器人已經(jīng)在清華大學(xué)長(zhǎng)庚醫(yī)院為醫(yī)院?jiǎn)T工的例行核酸采集提供服務(wù)?！霸摍C(jī)器人各方面指標(biāo)都符合醫(yī)生的要求，在采集效率和樣本有效性方面都優(yōu)于人工采集?！睂O富春說(shuō)。

2020年初武漢疫情暴發(fā)，智能化咽拭子采樣機(jī)器人的研發(fā)構(gòu)想就在孫富春的腦子里萌芽?！爱?dāng)時(shí)，醫(yī)務(wù)工作者會(huì)戰(zhàn)武漢，全天時(shí)工作，一是非常辛苦，二是容易交叉感染。我開始就想，如何能利用機(jī)器人技術(shù)去研制一款全自動(dòng)的咽拭子采集機(jī)器人，減輕廣大義務(wù)工作者的負(fù)擔(dān)?！焙芸?，一款半自動(dòng)化的口咽拭子采樣機(jī)器人出爐。這也是孫富春團(tuán)隊(duì)研制的第一代咽拭子采樣機(jī)器人，但其研制成本較高，且在安全性和穩(wěn)定性方面仍有不足之處。孫富春團(tuán)隊(duì)便著手對(duì)其進(jìn)行升級(jí)，在設(shè)計(jì)理念上摒棄了價(jià)格高昂且自由度冗余的機(jī)械臂產(chǎn)品，采用自主設(shè)計(jì)的立體式多軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)樣本采集與移送。2021年，全自動(dòng)化咽拭子采樣機(jī)器人研制成功?！霸摮晒@得了日內(nèi)瓦發(fā)明獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)，也在2021年世界機(jī)器人大會(huì)上展出，接受了中央電視臺(tái)白巖松的專訪。”孫富春說(shuō)。

值得一提的是，從系統(tǒng)研制到配件選用，這款智能化咽拭子采樣機(jī)器人是完全自主研制和國(guó)產(chǎn)化的。在研究設(shè)計(jì)之初，孫富春團(tuán)隊(duì)就考慮到了國(guó)產(chǎn)化的問(wèn)題?！澳壳?，國(guó)內(nèi)的醫(yī)療機(jī)器人中大多使用國(guó)外的零部件，在非常時(shí)刻就容易造成國(guó)外廠商的限供。因此，我們?cè)谘邪l(fā)咽拭子機(jī)器人的過(guò)程中，將最初的部分國(guó)外零部件逐步替代成國(guó)產(chǎn)高配零部件。”而其中的安全采集等關(guān)鍵技術(shù)，則來(lái)自孫富春團(tuán)隊(duì)多年努力自主研發(fā)的觸覺(jué)傳感器及視觸覺(jué)融合感知技術(shù)，保證了咽拭子采集的安全性和樣本的有效性。

那我們多久才能真正體驗(yàn)上機(jī)器人提供的核酸自動(dòng)采集服務(wù)呢？孫富春表示，他們正在申請(qǐng)醫(yī)療資質(zhì)，同時(shí)希望盡快能為全社會(huì)服務(wù)，最大限度節(jié)約醫(yī)療資源。此外，團(tuán)隊(duì)正在完善智能化和無(wú)人化的第三代咽拭子采樣機(jī)器人，同時(shí)也在研制更新一代的咽拭子機(jī)器人——將樣本采集與快速核酸檢測(cè)相結(jié)合，集成智能化管理系統(tǒng)，升級(jí)為“采檢管”一體智能化的機(jī)器人系統(tǒng)。“希望能盡快把這項(xiàng)成果投入市場(chǎng)，讓機(jī)器人服務(wù)社會(huì)，減少醫(yī)務(wù)工作者的負(fù)擔(dān)和交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

未來(lái)，在機(jī)場(chǎng)、港口、通關(guān)口岸等地，甚至家附近的核酸檢測(cè)點(diǎn)，也許我們就能看到智能化咽拭子采樣機(jī)器人，為廣大公眾做核酸檢測(cè)。

智能化咽拭子采樣機(jī)器人的快速研制也體現(xiàn)著我國(guó)人工智能技術(shù)走在世界前列。如今，世界主要國(guó)家都將人工智能技術(shù)提升為國(guó)家戰(zhàn)略，制定國(guó)家的人工智能發(fā)展規(guī)劃，促進(jìn)人工智能技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展。孫富春認(rèn)為，從論文、專利、產(chǎn)業(yè)規(guī)模，以及全球計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科評(píng)估排名來(lái)看，我國(guó)人工智能發(fā)展在國(guó)際上處于第一梯隊(duì)。

“人工智能的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入深水區(qū)，主要推動(dòng)作用包括腦科學(xué)和數(shù)學(xué)，從單模態(tài)學(xué)習(xí)向多模態(tài)學(xué)習(xí)，從單體智能向群體智能，從算法智能向非算法智能，從感知智能向認(rèn)知智能和行為智能發(fā)展，另外特別強(qiáng)調(diào)對(duì)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)作用。我們需要在理論前沿不斷開拓，力爭(zhēng)做出更多原創(chuàng)性研究成果，形成屬于我國(guó)的技術(shù)高峰。同時(shí)注重理論方法在產(chǎn)業(yè)和國(guó)家安全方面應(yīng)用，進(jìn)一步提升我國(guó)的科技實(shí)力。我相信，人工智能技術(shù)一定會(huì)帶動(dòng)我們國(guó)家的產(chǎn)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別是為人民群眾的生命健康作出貢獻(xiàn)?！?/p>