外骨骼 从帮助截瘫病患行走到控制机器人 (外骨骼的原理)

据报道，年龄在15到64岁的人群中，有4400万有些基本的行动困难，包括举物、搬物、行走、曲体、坐下和站立等。欧洲每年有110万人中风，这常常带来上肢或者下肢的瘫痪。因此，考虑到后续的经济和社会影响，让这些年轻人和老年人重新获得自主移动的能力是当下的首要目标。

外骨骼，正如其名，是在身体外部起到支撑作用的系统。首先，他们辅助康复中心的专家们，在训练课程中为病患们提供支撑。它们的出现让治疗过程避开了对人体工程学的挑战，在控制病人的行动的同时，也提供了许多宝贵的数据。瑞士的Hocoma是这个领域的先驱者。它们在苏黎世的Balgrist大学医院中苦心研究多年，终于在2001年发明了自己的机器人跑步机——Lokomat。这个机器人的训练对象包括因中风引发行动障碍、脊髓受损、创伤性脑外伤、多发性硬化症以及患帕金森的病人等。这个系统包括一个可以完全承重的体重支撑系统、一个踏板、环绕在腿部并且起到运动引导和刺激作用的架子和一个提供反馈信息的虚拟现实系统。这家公司也曾想用这套系统来解决背部下端、手臂和手部的治疗。

附属于马德里理工大学的Aura Innovative Robotics实验室则旨在为那些遭受肩部损伤的病人们提供康复辅助。它们的外骨骼Orte能估测病患的受创程度，然后帮助他们在一系列动力和力度感应器下开展康复训练。实验室的联合创始人Cecilia Carcia Cena告诉笔者：“多亏了手臂肌骨骼模型的成熟发展，医生才能在诊断阶段更好地了解病情并获得宝贵的信息，然后为每个患者量身定做一个受机器人主导、执行的康复计划。“

除了康复中心外，他们还希望人们能在居家环境下使用外骨骼系统。正如MIRAD项目中提到的，这触发了许多安全性、可穿戴性、能量自动供给性、智能动力交互以及心理层面的挑战。这个项目旨在设计一个双下肢外骨骼系统，它可以帮助人们克服功能上缺失带来的难题。在KU Leuven的研究实验中，这个系统能辅助65岁以上坐着的健全人实现站立。

在另一个领域的前沿，有一个“促进截瘫患者行动的人机交互可穿戴式外骨骼”的项目，也就是所谓的SYMBITRON。它的目的是制造出具备安全性、生物性以及定制功能的穿戴性外骨骼，帮助脊髓损伤者利用他们残存的运动神经功能，在没有外部辅助的条件下行走。他们的Mindwalker外骨骼系统是由六个骨髓受损者在实验室环境下完成的。这个项目的目标之一是利用一个干燥而轻便的可穿戴的脑电波帽，识别可以控制外骨骼运动的脑电波。虚拟现实训练环境可以帮助大脑产生正确的脑电波信号。

“新一代外骨骼的功能在不断强化，比如自动运行、平衡机制和协助控制运行等。BALANCE和SYMBITRON的研究都得到了来自欧盟的资助”，作为Tecnalia Research and Innovation中BALANCE项目的负责人，Jan Veneman博士如是说道：“在食品药品监督管理局于2016年同意将各类自动外骨骼投入家用后，外骨骼正在一步步成为现实。这极大地拓宽了外骨骼技术和其他可穿戴式机器人的细分市场。”

外骨骼有着各种不同的形状和材料。在将于2016年10月8日开幕的Cybatholon半机器人奥林匹克运动会上，我们会看到至少11支队伍穿戴着外骨骼参赛。实际上，目前的大趋势是外骨骼会变得越来越轻便，甚至像袜子一样，而不是用螺栓和金属制成的冰冷设备。虽然它并不能实现全动力的行走，但是它有很大地辅助作用。尤其能让老年人出行更便利。生物能袜子是英国布里斯托大学、丽兹大学、诺丁汉大学、南安普顿大学、斯特拉斯克莱德大学、拉夫堡大学和西英格兰大学共同研究的产物。索尔福德大学也研发了专门为手部设计的轻便型外骨骼，它看起来就像是个漂亮的手套。

从根特大学发明的WALL-X外骨骼中，我们得知，带有简单气体动力系统的小型外骨骼能如何帮助踝关节弯曲，从而辅助行走。不管采用什么方法，理解人体和外骨骼直接的互动至关重要。所以，丹麦的AnyBody公司目前正在研究人体的高度模拟技术。

另外，外骨骼可以为那些挑战了人体工程学的工作提供帮助。“背部下端疼痛是许多工人在得了寻常感冒后就旷工的原因，它是15％的工人请病假的原因，而每年甚至有上百万人因此失业。” Spexor Spinal外骨骼旨在避免背部下端的疼痛，并帮助那些经历病痛的人们再就业。不像那些只关注于上肢或是下肢移动性的外骨骼，Spexor Spinal专注致力解决脊髓受损者的病痛。这个项目起源于2016年1月，现仍处于初始阶段。

抓住了这样的机遇，瑞士创业公司Noonee开创了一个旨在优化工作环境的项目，叫Chairolution。“这种不像椅子的椅子是一个可穿戴式的坐式外骨骼，它可以为那些在生产线上工作的工人们提供支撑，使之可以移动身体，避免重复性的劳动带来的压力以及健康问题。”德国汽车产商奥迪于去年试用了这个外骨骼。

另外一个被汽车制造商试用的外骨骼是ABLE的上肢外骨骼，它被PSA的Peugeot Citroen工厂使用，目前Haption已经将其投入商业生产。这个机器人是法国原子能委员会发明的，目的是降低手臂荷载。ABLE的发明团队表示，Innorobod的下肢外骨骼已经由RB3D公司投入商业生产。

最后，外骨骼还可以用于极端环境下的机器人远程操作。欧洲航天局发明的X-Arm-2外骨骼设备能够控制全动力的触觉机器人。机器人的反馈会用于发动机控制功能的升级。这样的设备可以用于需要精准发动机控制的机器人手术和其他核能设备。

总而言之，我们的目标不是打造出高度类人的机器人，而是要让病患能自由移动、改善不良的工作环境以及开发遥控操作的新用途。当然，这个领域还有许多未知的挑战，我们需要不断拓宽基本的生物力学、人机交互以及对复杂系统的操控的知识。

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