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在其短暂的历史的大部分时间里，机器人辅助手术一直是Intuitive Surgical, Inc. 的达芬奇系统的代名词。 它是唯一获得美国食品和药物管理局 (FDA) 批准的机器人，可以帮助外科医生进行多项腹腔镜软组织手术，包括子宫切除术、胆囊和肾脏切除术、前列腺癌治疗和心脏瓣膜手术。 自 Intuitive 十多年前推出达芬奇系统以来，它已经得到了极大的改进。 然而，像许多新技术一样，它也经历了成长的烦恼，导致一些工程师和医学专业人士质疑，一家公司是否能够在满足不断增长的需求的同时，仍然交付安全的产品。
一个研究团队正在寻求通过开发基于硬件设计和免费提供的软件的机器人手术系统来解决这些问题。 在这种开源方法中，构建者将保留他们在项目中投入的任何知识产权，但必须将其知识和发现提供给他人。
来自加州大学圣克鲁兹分校和华盛顿大学（U.W.）的研究人员希望他们的努力将导致外科机器人技术的许多进步，这些进步将源于一种基本设计，这种设计不会因设备而异。 其想法是，构建和购买数百万美元的机器人手术系统的成本将会降低，使用它们的学习曲线也会降低。
开源模式在软件行业中运作良好，使初创公司能够通过提供更低的价格以及对新进展的集体审查来挑战微软和 Oracle 等巨头。 开源创新的一些更可见的产品包括谷歌的移动 Android 操作系统（基于 Linux）和 Mozilla 的 Firefox 网络浏览器。 工程师和设计师还发起了协同开发开源通用机器人以及假肢的努力。 啤酒酿造商甚至将这种方法应用于酿造啤酒，调整和重新分发一种原始配方给更广泛的爱好者社区。
黄金标准
自 2000 年获得 FDA 批准以来，达芬奇系统一直在协助外科医生，帮助他们在狭小的空间内快速高效地进行手术。 该设备的四个手臂可以操纵任何数量的器械，包括手术刀、镊子、抓钳和剪刀，例如，进行切口、移除器官、放置导管和闭合切口点。 外科医生在符合人体工程学设计的控制台前舒适地坐着控制这些工具，并借助高清 3D 摄像头，从而减少了长时间手术期间的疲劳问题。 尽管达芬奇系统的价格接近 200 万美元，但其受欢迎程度近年来稳步增长。 2012 年，医生使用该系统在美国医院进行了超过 35 万例手术，比 2010 年增加了 60%。
Intuitive 设计达芬奇系统是为了改进现有的腹腔镜手术——也称为微创手术，因为外科医生通过将微型摄像机和工具穿过小切口在体内完成大部分修复工作。 医生报告了使用达芬奇系统的几个优点，包括患者出血较少和手术时间较短，这两者都会减少住院时间和恢复时间。 T. Sloane Guy，天普大学医学院机器人技术主管和心血管外科主任，将传统的腹腔镜工具比作“筷子”，并表示达芬奇系统的计算机控制工具在手术期间狭小的空间内提供了更大的运动自由度。
尽管有优势，但与这些手术相关的不良事件报告也随着其使用而增加。 从 2013 年 1 月到 11 月，FDA 收到了来自 Intuitive 和使用该系统的医院的 3,697 份不良事件报告，这些报告涉及与机器人手术程序相关的死亡、伤害或故障，而 2012 年全年为 1,595 份。 该机构承认，可能还有更多事件未被报告，患者已开始对 Intuitive 和医院提起诉讼，原因是使用达芬奇系统进行手术期间出现并发症。
一小群外科医生在 11 月发布的 FDA 研究中揭示了达芬奇系统的一些问题。 (pdf) 这些问题包括机器人手臂上的裂缝导致器械失效、手臂在手术过程中漂移以及手术过程中手臂之间发生碰撞。 没有报告因这些特定事件而造成患者伤害，但该研究深入了解了达芬奇系统的成功和失败，以及使用该系统所需的培训。 然而，FDA 警告说，该报告绝非全面——它仅包含来自 11 位外科医生的反馈，尽管每位外科医生在过去三年中使用达芬奇系统进行了 70 到 600 例手术。
开源替代方案
来自加州大学圣克鲁兹分校和华盛顿大学的研究人员十多年来一直在开发他们的机器人——名为 Raven——的迭代版本。 迄今为止，他们已向美国、加拿大和法国的大学运送了 14 台 Raven II 机器人，包括哈佛大学、约翰·霍普金斯大学、内布拉斯加大学林肯分校、蒙彼利埃大学和西安大略大学。 这些系统中的每一个都有唯一的互联网协议 (IP) 地址，并且已与其他系统联网，以创建一个通用平台，研究人员可以通过该平台共享软件、复制实验并以各种方式进行协作。
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每个Raven II都包括两个机械臂、一个让外科医生远程操作的屏幕、一个为屏幕提供视觉效果的摄像头以及使这些元件协同工作的软件。
在 2000 年代初期，研究人员有兴趣为达芬奇系统编写软件，但当 Intuitive 不提供完成编码所需的一些信息时，他们感到沮丧。 加州大学圣克鲁兹分校巴斯金工程学院计算机工程副教授、Raven 项目首席研究员 Jacob Rosen 说：“我们意识到，要积极参与该领域，我们需要一个我们可以完全控制的研究平台。”
当时在华盛顿大学的 Rosen 和他的同事获得了美国陆军的资助，以构建他们自己的机器人手术系统。 五年后，在 2007 年，Raven I 诞生了。 Rosen 在 2008 年搬到圣克鲁兹后重新设计了 Raven，并在第二年创建了一个四臂版本，他称之为 Raven IV。 他说：“我当时认为，如果你想取代手术室里的两位外科医生，你需要四条手臂和两个摄像头。”
到 2010 年，Rosen 再次与华盛顿大学生物机器人实验室主任 Blake Hannaford 合作，以改进最初的双臂 Raven I。 这次合作最终获得了国家科学基金会 85 万美元的资助，并使用这笔钱建造了八个 Raven II 系统，他们可以将这些系统提供给其他从事机器人手术研究的机构。 这次 Rosen 和 Hannaford 坚持使用双臂，因为他们都认为这将是所有研究团队未来都更能够负担得起的。
不可避免的比较
Raven 和达芬奇系统旨在执行基本相同的任务，但它们在一些关键方面有所不同。 首先，Raven 的成本约为 30 万美元，其手臂固定在手术台周围的不同位置。 达芬奇系统的手臂连接回单个底座——它们基本上起源于同一点。 Intuitive 这样做是为了减少手术室的空间占用。
Rosen 说，Raven 的设计试图模仿一组外科医生如何在手术期间从患者的任一侧工作。 他补充说：“通过以类似于人类使用手臂的方式分布 Raven 的手臂，您可以避免许多手臂相互碰撞的问题，尤其是在将四条甚至更多条手臂引入患者上方的有限空间时。”
与达芬奇系统不同，Raven 未获准在人体上进行手术。 然而，研究人员在 2006 年开发 Raven 时，确实在猪尸体上进行了多次模拟手术。 随后的 Raven 实验是在从死亡动物身上提取的单个器官上进行的，但最近的大部分工作都集中在开发软件以提高系统的性能和扩展其功能上。 Rosen 和他的同事去年成立了公司 Applied Dexterity, Inc.，以生产 Raven 作为其他机构的机器人手术研究平台。
天普大学外科医生 Guy 说，如果外科医生有多种机器人手术系统可供选择，他们会得到更好的服务，他曾使用达芬奇系统进行过多次心脏手术。 “总的来说，我非常相信开源，”他补充道，但他提出了一个警告，即在开发需要“几乎零容忍问题”的医疗技术时，开源模式在很大程度上未经证实。
起飞
除了开发 Raven 来进行软组织手术外，Rosen 一直在考虑制造一个可以执行更复杂的手术（例如脑外科手术）的机器人系统需要什么。 待办事项清单上还有对机器人进行编程，使其能够在手术期间在需要时切换工具，而无需任何人工帮助。
全自动机器人外科医生还遥遥无期，甚至永远不会实现。 Rosen 指出，一旦外科医生切开患者的皮肤或内部器官，组织就会以难以编程到计算机中的方式改变形状和移动。 他说：“您需要不断使用计算机视觉来提取有关机器人运行的不断变化的环境的信息。” “这在机器人技术中非常具有挑战性。 您希望自动化手术的机械部分，而不是决策部分，而这正是人类擅长的。”