外骨骼：從幫助截癱病患行走到控制機器人

雷鋒網按：本文作者SPARC，來源robohub，由雷鋒網獨家編譯，未經許可拒絕轉載！

據報道，年齡在15到64歲的人群中，有4400萬有些基本的行動困難，包括舉物、搬物、行走、曲體、坐下和站立等。歐洲每年有110萬人中風，這常常帶來上肢或者下肢的癱瘓。因此，考慮到后續的經濟和社會影響，讓這些年輕人和老年人重新獲得自主移動的能力是當下的首要目標。

外骨骼，正如其名，是在身體外部起到支撐作用的系統。首先，他們輔助康復中心的專家們，在訓練課程中為病患們提供支撐。它們的出現讓治療過程避開了對人體工程學的挑戰，在控制病人的行動的同時，也提供了許多寶貴的數據。瑞士的Hocoma是這個領域的先驅者。它們在蘇黎世的Balgrist大學醫院中苦心研究多年，終于在2001年發明了自己的機器人跑步機——Lokomat。這個機器人的訓練對象包括因中風引發行動障礙、脊髓受損、創傷性腦外傷、多發性硬化癥以及患帕金森的病人等。這個系統包括一個可以完全承重的體重支撐系統、一個踏板、環繞在腿部并且起到運動引導和刺激作用的架子和一個提供反饋信息的虛擬現實系統。這家公司也曾想用這套系統來解決背部下端、手臂和手部的治療。

附屬于馬德里理工大學的Aura Innovative Robotics實驗室則旨在為那些遭受肩部損傷的病人們提供康復輔助。它們的外骨骼Orte能估測病患的受創程度，然后幫助他們在一系列動力和力度感應器下開展康復訓練。實驗室的聯合創始人Cecilia Carcia Cena告訴筆者：“多虧了手臂肌骨骼模型的成熟發展，醫生才能在診斷階段更好地了解病情并獲得寶貴的信息，然后為每個患者量身定做一個受機器人主導、執行的康復計劃。“

除了康復中心外，他們還希望人們能在居家環境下使用外骨骼系統。正如MIRAD項目中提到的，這觸發了許多安全性、可穿戴性、能量自動供給性、智能動力交互以及心理層面的挑戰。這個項目旨在設計一個雙下肢外骨骼系統，它可以幫助人們克服功能上缺失帶來的難題。在KU Leuven的研究實驗中，這個系統能輔助65歲以上坐著的健全人實現站立。

在另一個領域的前沿，有一個“促進截癱患者行動的人機交互可穿戴式外骨骼”的項目，也就是所謂的SYMBITRON。它的目的是制造出具備安全性、生物性以及定制功能的穿戴性外骨骼，幫助脊髓損傷者利用他們殘存的運動神經功能，在沒有外部輔助的條件下行走。他們的Mindwalker外骨骼系統是由六個骨髓受損者在實驗室環境下完成的。這個項目的目標之一是利用一個干燥而輕便的可穿戴的腦電波帽，識別可以控制外骨骼運動的腦電波。虛擬現實訓練環境可以幫助大腦產生正確的腦電波信號。

“新一代外骨骼的功能在不斷強化，比如自動運行、平衡機制和協助控制運行等。BALANCE和SYMBITRON的研究都得到了來自歐盟的資助”，作為Tecnalia Research and Innovation中BALANCE項目的負責人，Jan Veneman博士如是說道：“在食品藥品監督管理局于2016年同意將各類自動外骨骼投入家用后，外骨骼正在一步步成為現實。這極大地拓寬了外骨骼技術和其他可穿戴式機器人的細分市場。”

外骨骼有著各種不同的形狀和材料。在將于2016年10月8日開幕的Cybatholon半機器人奧林匹克運動會上，我們會看到至少11支隊伍穿戴著外骨骼參賽。實際上，目前的大趨勢是外骨骼會變得越來越輕便，甚至像襪子一樣，而不是用螺栓和金屬制成的冰冷設備。雖然它并不能實現全動力的行走，但是它有很大地輔助作用。尤其能讓老年人出行更便利。生物能襪子是英國布里斯托大學、麗茲大學、諾丁漢大學、南安普頓大學、斯特拉斯克萊德大學、拉夫堡大學和西英格蘭大學共同研究的產物。索爾福德大學也研發了專門為手部設計的輕便型外骨骼，它看起來就像是個漂亮的手套。

從根特大學發明的WALL-X外骨骼中，我們得知，帶有簡單氣體動力系統的小型外骨骼能如何幫助踝關節彎曲，從而輔助行走。不管采用什么方法，理解人體和外骨骼直接的互動至關重要。所以，丹麥的AnyBody公司目前正在研究人體的高度模擬技術。 

另外，外骨骼可以為那些挑戰了人體工程學的工作提供幫助。“背部下端疼痛是許多工人在得了尋常感冒后就曠工的原因，它是15％的工人請病假的原因，而每年甚至有上百萬人因此失業。” Spexor Spinal外骨骼旨在避免背部下端的疼痛，并幫助那些經歷病痛的人們再就業。不像那些只關注于上肢或是下肢移動性的外骨骼，Spexor Spinal專注致力解決脊髓受損者的病痛。這個項目起源于2016年1月，現仍處于初始階段。 

抓住了這樣的機遇，瑞士創業公司Noonee開創了一個旨在優化工作環境的項目，叫Chairolution。“這種不像椅子的椅子是一個可穿戴式的坐式外骨骼，它可以為那些在生產線上工作的工人們提供支撐，使之可以移動身體，避免重復性的勞動帶來的壓力以及健康問題。”德國汽車產商奧迪于去年試用了這個外骨骼。

另外一個被汽車制造商試用的外骨骼是ABLE的上肢外骨骼，它被PSA的Peugeot Citroen工廠使用，目前Haption已經將其投入商業生產。這個機器人是法國原子能委員會發明的，目的是降低手臂荷載。ABLE的發明團隊表示，Innorobod的下肢外骨骼已經由RB3D公司投入商業生產。

最后，外骨骼還可以用于極端環境下的機器人遠程操作。歐洲航天局發明的X-Arm-2外骨骼設備能夠控制全動力的觸覺機器人。機器人的反饋會用于發動機控制功能的升級。這樣的設備可以用于需要精準發動機控制的機器人手術和其他核能設備。

總而言之，我們的目標不是打造出高度類人的機器人，而是要讓病患能自由移動、改善不良的工作環境以及開發遙控操作的新用途。當然，這個領域還有許多未知的挑戰，我們需要不斷拓寬基本的生物力學、人機交互以及對復雜系統的操控的知識。

via robohub

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