“钢铁侠”走进现实

源自:环球杂志  原文链接:https://m.sohu.com/a/532209242_200224

“钢铁侠”走进现实

2011年10月27日,美国一名截瘫患者穿上外骨骼机器人Ekso站起来行走

外骨骼的坚硬结构可为人体提供支撑和保护,可应用于军事合作、医疗康复、灾难救助、工厂制造等多种场景。


       在3月2日举行的北京冬残奥会火炬接力火种汇集仪式上,负责火种汇集的9名代表之一邵海朋穿着颇具科幻感的助力外骨骼,在拐杖辅助下独自走上主席台。邵海朋所穿戴的,正是北京航空航天大学生物医学工程高精尖中心研发的外骨骼机器人。

外骨骼机器人,通俗地说就是“套在人体外面”的机器人,它基于仿生学和人体工程学设计,也称“可穿戴机器人”。外骨骼的坚硬结构可为人体提供支撑和保护,可应用于军事合作、医疗康复、灾难救助、工厂制造等多种场景。

起源于军事领域

       最早的移动行走式外骨骼机器人起源于军事领域。1965年,美国国防部为了增强士兵体能,提出了“外骨骼机器人”概念,并资助通用电气公司研发一种穿戴在士兵身上的增强型军用装甲。

       受当时各方面技术的限制,1970年,通用电气研发的外骨骼机器人“Hardiman”原型机,仅实现了一只手臂举起341千克物体的任务。而且“Hardiman”原型机体积和重量过于庞大,整机重量达0.75吨,腿部不能协调运动,更不能行走。

但由于外骨骼机器人对军事的意义非常大,一些发达国家一直未放弃在这方面投入的想法。

2000年,与外骨骼机器人相关的传感、材料、机械、电力电子、能源、信息等技术均有了长足发展。美国国防部高级研究计划局再次启动了军用“外骨骼机器人”研制资助计划,以期提高单兵作战能力,帮助士兵跑得更快、跳得更高(跨越障碍)、负重能力更强(携带更多的武器和装备)。

根据西班牙《先锋报》网站的报道,2014年,时任美国总统奥巴马这样对记者说:“我在这里宣布,我们正在打造‘钢铁侠’。”美国研发了“战术突击轻型作战服”(TALOS),这种外骨骼可以抵御子弹,由于采用了智能材料和先进传感器,可以监控士兵的身体状况,减轻疲劳,并在负重时提供力量支持。通过神经工程系统设计(NESD)项目,TALOS还增配了带有电极的头盔,可以导出大脑信号,以让士兵用头脑控制外骨骼。俄罗斯的单兵综合战斗装备“武士3”则像所有外骨骼一样,可以减轻疲劳,并增强战斗人员的力量和提高射击精准度。此外,2020年年底,法国国防部长弗洛朗丝·帕利在一个防务创新论坛上说:“我们对钢铁侠的盔甲说‘是’。”

在康复医学领域大放异彩

       20世纪60年代末,当时的南斯拉夫贝尔格莱德大学开始研制截瘫患者用外骨骼机器人,不过进展甚微。

      从2000年起,美国、日本等国的研究机构针对失去下肢控制能力的运动功能障碍患者,基于仿生学、人体工程学和康复医学原理,研究设计了一种外骨骼康复机器人。这种机器人的机械构型与人类的下肢骨骼类似,并几乎平行。它通过绑带套在患者身体外面,成为患者除自身之外、由外部动力源驱动的另一副骨骼。

根据行走场景,具有仿人直立行走步态训练的外骨骼康复机器人分为两大类——在跑台上定点行走的悬吊式减重康复机器人和可在真实路面上自由移动行走的外骨骼机器人。后者没有固定根基,而其穿戴者下肢均存在感知障碍、行走控制异常障碍等,故其人机交互融合性、行走稳定性、行走步态的生物力学特性等控制实现难度远大于前者。

瑞士Hocoma公司在2001年推出了悬吊式减重外骨骼机器人Lokomat,但其不能实现对脊髓损伤患者的日常生活行走辅助,可用性大大受限。人们更期待的还是可在路面上随意自由移动行走、训练操控更为便捷的外骨骼康复机器人。

      外骨骼康复机器人实现了类似于人体下肢骨骼的支撑功能、关节可控屈伸运动功能及类人步态行走控制功能,并基于人体行走的自然生物力学特性,带动穿戴者在规则地面上模拟健全人步态行走,目的在于辅助下肢运动功能障碍患者完成行走功能恢复的治疗型康复训练,或替代其失去的功能,如坐、站、行走、上下楼梯等日常活动,提升患者生活自理能力。由于外骨骼康复机器人与穿戴者结合紧密,一般具有体积小巧、可实地自由灵活移动行走的特性,因此可在室内、走廊及室外平地进行移动式多场景训练,使用非常方便。

走向产业化

2001年,以色列理工学院种子基金支持成立了Argo医疗技术公司(后更名为ReWalk Robotics公司),进行外骨骼机器人的产业化开发,主要用于协助下肢瘫痪的病人实现再次站立行走。该公司主要开发了两款产品,ReWalk Personal主要针对个人用户,适合在家庭、工作或社交环境中使用,帮助患者站立、行走和爬楼;ReWalk Rehabilitation则针对医疗机构用户,主要用于临床康复。2012年5月8日,英国截瘫患者克莱尔·洛马斯穿戴Rewalk,以用时17天的成绩完成了伦敦马拉松赛,成为世界上第一个使用外骨骼机器人完成马拉松赛的人。

       2004年,日本内阁资助筑波大学教授三阶吉行成立Cyberdyne公司,以实现其外骨骼机器人HAL的商用化。三阶吉行团队2001年推出的外骨骼机器人原型机HAL3仅提供腿部助力行走功能。2005年推出的全身型外骨骼机器人HAL5,包含有手臂、腿部和躯干。HAL最早的应用目标除帮助残疾人外,还面向培训医生和物理治疗师,以及帮助工人负重等。2008年,Cyberdyne公司将HAL的多领域应用目标改为专注于医疗康复领域。HAL是目前全球唯一一个成功基于脑肌电控制的外骨骼机器人,具有控制响应更快、可让四肢瘫患者使用的特点。2011年,Cyberdyne公司推出了仅有单侧腿的HAL版本。

       美国加州大学伯克利分校机器人与人类工程实验室在2000年美国国防部高级研究计划局的资助下研发出外骨骼机器人BLEEX。2005年,研发团队成立了Berkeley ExoWorks公司,并推出负重能力达150磅(约68千克)的两款外骨骼机器人ExoHiker和ExoClimber。该公司于2007年更名为Berkeley Bionics,并研发了具有更强负重能力的军用外骨骼机器人HULC。

       2010年,该公司推出可以让轮椅使用者站立和行走的仿生外骨骼eLEGS。2011年,Berkeley Bionics更名为Ekso Bionics,同时将eLEGS更名为Ekso,之后推出了下一代外骨骼机器人Ekso GT。

军用HULC和医用Ekso并存,使Ekso Bionics成为唯一一家提供多种用途外骨骼机器人的公司。Ekso具有断电膝盖锁定功能,断电的同时髋部电机处于释放状态,外骨骼的状态类似于典型的被动支具,可防止穿戴者摔倒。2010年,Ekso被美国《时代周刊》评为“2010年度50项最佳创新”之一。

2011年,“十二五”国家科技支撑计划、国家自然科学基金、北京市重大科技计划支持北京航空航天大学(以下简称“北航”)研制外骨骼康复机器人。2016年,北航外骨骼机器人研发团队成立了北京大艾机器人科技有限公司,推动其研发成果的产业化。大艾的智能外骨骼机器人艾动主要用于截瘫患者的康复训练和助行;艾康在艾动的基础上,在后腰部加了一个平衡安全支架,主要应用于偏瘫和四肢瘫患者的康复训练,也适用于运动员在下肢肌肉拉伤、非关节骨折情况下的体力恢复性、保持性训练。

2018年11月,截瘫患者邵海朋穿戴艾动,用9天时间走完马拉松全程,打破了穿戴外骨骼机器人行走马拉松的世界纪录;在此过程中,大艾外骨骼机器人也创造了单日行走距离最长(9.7千米)、高海拔零下8摄氏度极端环境行走7000米等多项世界纪录。

在北京2022年冬残奥会火炬接力火种汇集仪式现场,邵海朋穿的是新一代大艾AI外骨骼机器人艾行。艾行基于传感网络和AI控制算法,能自动感知穿戴者的主观行动意愿,辅助其“随心而动”,实现快走、慢走任意切换,还能实现上下楼梯、上下坡等较为复杂的动作。

多元化应用

       外骨骼机器人不仅在康复医学领域蓬勃发展,也在物流、搬运、工业协助、应急救援等方面得到广泛应用。

       2020年12月17日,嫦娥五号返回器在预定地点着陆。任务中,两名搜索回收队员身穿外骨骼携带多套搜索设备,从直升机降落点快速机动至返回器着陆点。时值寒冬,返回器着陆点覆盖着厚厚的积雪,气温逼近零下30摄氏度,部分人员携带的设备重达40公斤,低温严寒与极限负重对搜索人员的体力带来挑战。此刻,这两套负载能力达50公斤的搬运外骨骼便派上了用场。

       在东京奥运会上,松下公司的助力外骨骼设备也一直在帮助奥运志愿者搬运重物。

不过,应用于搬运协助方面的外骨骼机器人,存在将腰部压力转移到肩背部与腿部的问题,长期使用会不会对人体其他部位带来不利负担,还有待进一步的数据观察。

而在军事辅助、灾难救助等方面,也还存在助力与行动灵活性矛盾的问题,有待原理性突破。

(作者系北京航空航天大学生物医学工程高精尖中心博导、研究员)