2011年10月27日,美國一名截癱患者穿上外骨骼機器人Ekso站起來行走
外骨骼的堅硬結構可為人體提供支撐和保護,可應用於軍事合作、醫療康復、災難救助、工廠製造等多種場景。
帥梅
在3月2日舉行的北京冬殘奧會火炬接力火種匯集儀式上,負責火種匯集的9名代表之一邵海朋穿着頗具科幻感的助力外骨骼,在拐杖輔助下獨自走上主席&。邵海朋所穿戴的,正是北京航空航天大學生物醫學工程高精尖中心研發的外骨骼機器人。
外骨骼機器人,通俗地説就是“套在人體外面”的機器人,它基於倣生學和人體工程學設計,也稱“可穿戴機器人”。外骨骼的堅硬結構可為人體提供支撐和保護,可應用於軍事合作、醫療康復、災難救助、工廠製造等多種場景。
起源於軍事領域
最早的移動行走式外骨骼機器人起源於軍事領域。1965年,美國國防部為了增強士兵體能,提出了“外骨骼機器人”概念,並資助通用電氣公司研發一種穿戴在士兵身上的增強型軍用裝甲。
受當時各方面技術的限制,1970年,通用電氣研發的外骨骼機器人“Hardiman”原型機,僅實現了一隻手臂舉起341千克物體的任務。而且“Hardiman”原型機體積和重量過於龐大,整機重量達0.75噸,腿部不能協調運動,更不能行走。
但由於外骨骼機器人對軍事的意義非常大,一些發達國家一直未放棄在這方面投入的想法。
2000年,與外骨骼機器人相關的傳感、材料、機械、電力電子、能源、信息等技術均有了長足發展。美國國防部高級研究計劃局再次啟動了軍用“外骨骼機器人”研製資助計劃,以期提高單兵作戰能力,幫助士兵跑得更快、跳得更高(跨越障礙)、負重能力更強(攜帶更多的武器和裝備)。
根據西班牙《先鋒報》網站的報道,2014年,時任美國總統奧巴馬這樣對記者説:“我在這裡宣布,我們正在打造‘鋼鐵俠’。”美國研發了“戰術突擊輕型作戰服”(TALOS),這種外骨骼可以抵禦子彈,由於採用了智能材料和先進傳感器,可以監控士兵的身體狀況,減輕疲勞,並在負重時提供力量支持。通過神經工程系統設計(NESD)項目,TALOS還增配了帶有電極的頭盔,可以導出大腦信號,以讓士兵用頭腦控制外骨骼。俄羅斯的單兵綜合戰鬥裝備“武士3”則像所有外骨骼一樣,可以減輕疲勞,並增強戰鬥人員的力量和提高射擊精準度。此外,2020年年底,法國國防部長弗洛朗絲·帕利在一個防務創新論壇上説:“我們對鋼鐵俠的盔甲説‘是’。”
在康復醫學領域大放異彩
20世紀60年代末,當時的南斯拉伕貝爾格萊德大學開始研製截癱患者用外骨骼機器人,不過進展甚微。
從2000年起,美國、日本等國的研究機構針對失去下肢控制能力的運動功能障礙患者,基於倣生學、人體工程學和康復醫學原理,研究設計了一種外骨骼康復機器人。這種機器人的機械構型與人類的下肢骨骼類似,並幾乎平行。它通過綁帶套在患者身體外面,成為患者除自身之外、由外部動力源驅動的另一副骨骼。
根據行走場景,具有倣人直立行走步態訓練的外骨骼康復機器人分為兩大類——在跑&上定點行走的懸吊式減重康復機器人和可在真實路面上自由移動行走的外骨骼機器人。後者沒有固定根基,而其穿戴者下肢均存在感知障礙、行走控制異常障礙等,故其人機交互融合性、行走穩定性、行走步態的生物力學特性等控制實現難度遠大於前者。
瑞士Hocoma公司在2001年推出了懸吊式減重外骨骼機器人Lokomat,但其不能實現對脊髓損傷患者的日常生活行走輔助,可用性大大受限。人們更期待的還是可在路面上隨意自由移動行走、訓練操控更為便捷的外骨骼康復機器人。
外骨骼康復機器人實現了類似於人體下肢骨骼的支撐功能、關節可控屈伸運動功能及類人步態行走控制功能,並基於人體行走的自然生物力學特性,帶動穿戴者在規則地面上模擬健全人步態行走,目的在於輔助下肢運動功能障礙患者完成行走功能恢復的治療型康復訓練,或替代其失去的功能,如坐、站、行走、上下樓梯等日常活動,提升患者生活自理能力。由於外骨骼康復機器人與穿戴者結合緊密,一般具有體積小巧、可實地自由靈活移動行走的特性,因此可在室內、走廊及室外平地進行移動式多場景訓練,使用非常方便。
走向産業化
2001年,以色列理工學院種子基金支持成立了Argo醫療技術公司(後更名為ReWalk Robotics公司),進行外骨骼機器人的産業化開發,主要用於協助下肢癱瘓的病人實現再次站立行走。該公司主要開發了兩款産品,ReWalk Personal主要針對個人用戶,適合在家庭、工作或社交環境中使用,幫助患者站立、行走和爬樓;ReWalk Rehabilitation則針對醫療機構用戶,主要用於臨床康復。2012年5月8日,英國截癱患者克萊爾·洛馬斯穿戴Rewalk,以用時17天的成績完成了倫敦馬拉松賽,成為世界上第一個使用外骨骼機器人完成馬拉松賽的人。
2004年,日本內閣資助築波大學教授三階吉行成立Cyberdyne公司,以實現其外骨骼機器人HAL的商用化。三階吉行團隊2001年推出的外骨骼機器人原型機HAL3僅提供腿部助力行走功能。2005年推出的全身型外骨骼機器人HAL5,包含有手臂、腿部和軀幹。HAL最早的應用目標除幫助殘疾人外,還面向培訓醫生和物理治療師,以及幫助工人負重等。2008年,Cyberdyne公司將HAL的多領域應用目標改為專注於醫療康復領域。HAL是目前全球唯一一個成功基於腦肌電控制的外骨骼機器人,具有控制響應更快、可讓四肢癱患者使用的特點。2011年,Cyberdyne公司推出了僅有單側腿的HAL版本。
美國加州大學伯克利分校機器人與人類工程實驗室在2000年美國國防部高級研究計劃局的資助下研發出外骨骼機器人BLEEX。2005年,研發團隊成立了Berkeley ExoWorks公司,並推出負重能力達150磅(約68千克)的兩款外骨骼機器人ExoHiker和ExoClimber。該公司於2007年更名為Berkeley Bionics,並研發了具有更強負重能力的軍用外骨骼機器人HULC。
2010年,該公司推出可以讓輪椅使用者站立和行走的倣生外骨骼eLEGS。2011年,Berkeley Bionics更名為Ekso Bionics,同時將eLEGS更名為Ekso,之後推出了下一代外骨骼機器人Ekso GT。
軍用HULC和醫用Ekso並存,使Ekso Bionics成為唯一一家提供多種用途外骨骼機器人的公司。Ekso具有斷電膝蓋鎖定功能,斷電的同時髖部電機處於釋放狀態,外骨骼的狀態類似於典型的被動支具,可防止穿戴者摔倒。2010年,Ekso被美國《時代周刊》評為“2010年度50項最佳創新”之一。
2011年,“十二五”國家科技支撐計劃、國家自然科學基金、北京市重大科技計劃支持北京航空航天大學(以下簡稱“北航”)研製外骨骼康復機器人。2016年,北航外骨骼機器人研發團隊成立了北京大艾機器人科技有限公司,推動其研發成果的産業化。大艾的智能外骨骼機器人艾動主要用於截癱患者的康復訓練和助行;艾康在艾動的基礎上,在後腰部加了一個平衡安全支架,主要應用於偏癱和四肢癱患者的康復訓練,也適用於運動員在下肢肌肉拉傷、非關節骨折情況下的體力恢復性、保持性訓練。
2018年11月,截癱患者邵海朋穿戴艾動,用9天時間走完馬拉松全程,打破了穿戴外骨骼機器人行走馬拉松的世界紀錄;在此過程中,大艾外骨骼機器人也創造了單日行走距離最長(9.7千米)、高海拔零下8攝氏度極端環境行走7000米等多項世界紀錄。
在北京2022年冬殘奧會火炬接力火種匯集儀式現場,邵海朋穿的是新一代大艾AI外骨骼機器人艾行。艾行基於傳感網絡和AI控制算法,能自動感知穿戴者的主觀行動意願,輔助其“隨心而動”,實現快走、慢走任意切換,還能實現上下樓梯、上下坡等較為複雜的動作。
多元化應用
外骨骼機器人不僅在康復醫學領域蓬勃發展,也在物流、搬運、工業協助、應急救援等方面得到廣泛應用。
2020年12月17日,嫦娥五號返回器在預定地點着陸。任務中,兩名搜索回收隊員身穿外骨骼攜帶多套搜索設備,從直升機降落點快速機動至返回器着陸點。時值寒冬,返回器着陸點覆蓋着厚厚的積雪,氣溫逼近零下30攝氏度,部分人員攜帶的設備重達40公斤,低溫嚴寒與極限負重對搜索人員的體力帶來挑戰。此刻,這兩套負載能力達50公斤的搬運外骨骼便派上了用場。
在東京奧運會上,松下公司的助力外骨骼設備也一直在幫助奧運志願者搬運重物。
不過,應用於搬運協助方面的外骨骼機器人,存在將腰部壓力轉移到肩背部與腿部的問題,長期使用會不會對人體其他部位帶來不利負擔,還有待進一步的數據觀察。
而在軍事輔助、災難救助等方面,也還存在助力與行動靈活性矛盾的問題,有待原理性突破。
(作者係北京航空航天大學生物醫學工程高精尖中心博導、研究員)
來源:2022年3月23日出版的《環球》雜誌 第6期
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