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哈佛柔性外骨骼诞生始末:教授放弃机械外骨骼,只为让中风患者重新行走

文/三川

哈佛生物设计研究所:柔性外骨骼的诞生地

普通人一定想象不出哈佛工程师 Conor Walsh 的实验室是什么样子。这里既没有离心机,没有通风橱,也没有成排的试管——而是挂满了各式各样的衣服。

在实验室的一头,站立着一组穿着T恤和运动裤的假人模特。它们背后摆放着一排排的运动衫和跑步鞋。在另一面墙的架子上,短裤和裤袜被仔细得叠好,并且细心地标注着尺码。在卫报记者 Robin McKie 的一次访问中,他看到一个学生在给一条裤衩儿缝补丁。

如果这家实验室出现在商业街上,你会把它当做是某高端订制运动品牌的门店。但这不是耐克的实验室。这是哈佛大学生物设计研究所,它进行着一项会颠覆现有软体机器人技术的项目该项目还计划改变中风患者的命运——帮助他们行走。

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Conor Walsh 教授是该实验室的负责人,他说:“简单来说,我们在做能提供动力的衣服,帮助移动能力受限的病人重新动起来。这些‘衣服’能帮他们抬起脚并且重新行走。这是动力服领域的终极课题。”

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Conor Walsh (左)和同事

由于他的杰出研究, 35 岁的 Conor Walsh 在上个星期洛杉矶的一场典礼上被授予劳力士雄才伟略大奖( Rolex award for enterprise)。他计划把获得的 10 万瑞郎 (约 68 万人民币)奖金用于软体机器人技术的研发上,以开发能帮助士兵和体力工作者搬运重物的柔性外骨骼。他还计划把研究成果应用到其他医疗领域,帮助帕金森症和脑瘫患者,以及遭受其它病症而行动力受限的人。

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哈佛大学之前开发的,能帮助士兵搬运重物的柔性外骨骼系统。

Conor Walsh 放弃机械外骨骼,转而研究柔性外骨骼

Walsh 是都柏林圣三一学院生产制造和机械工程专业的研究生。在学生时代,当他听说美国研发的机械外骨骼是如何帮助人搬运重物,他开始着迷于机器人技术。简单地说,机械外骨骼是一个硬的、像机器人一样的外壳。它能把使用者装在里面并且带着他行走。想象一下钢铁侠里面 Robert Downey Jr 穿的金属盔甲,还有电影异形里Sigourney Weaver 大战异形时驾驶的机械骨架。

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Walsh 认为这些看起来太酷了,所以他申请到 MIT 生物力学专家 Hugh Herr 那里做博士研究。但是,当 Walsh 接触刚性机械外骨骼,他发现它们的使用体验很不好。

“穿着它们就像困在一副机器人盔甲里面,很硬,很不舒服,很笨拙费劲,并且这副盔甲有时还不能像人那样移动。”

所以当 Walsh 搬到哈佛,设立了生物设计研究所之后,他决定采用另一条路线。他表示:

“我当时立刻意识到,如果有一副柔性外骨骼向你指出正确的移动方式,穿起来舒适,并且不让你感到费劲,这会有巨大的生物医疗应用前景。我开始想,我们能不能开发出柔软的可穿戴机器人呢?”

答案被证明是“能”。Walsh 和同事 Terry Ellis, Louis Awad and Ken Holt 一起,与电气工程、机械工程、材料科学和神经科学领域的专家们合作,开发出了一种很巧妙但其实技术难度并不高的行走助力方式:柔性外骨骼.

柔性外骨骼的原理和结构

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这副外骨骼的原理是:一条布带捆在使用者的小腿肚肌肉上;用自行车刹车线做成的的带轮装置(pulleys),一端连在小腿布带上,另一端连在用户背后的动力装置上。当使用者要抬起脚迈步时,动力装置会拉动带轮线缆,这帮助使用者进行抬腿动作。随后,当脚朝前动作的时候,另一条连接在鞋尖的线缆会收紧,所以用户脚尖不会拖在地上。该情况被称为“足下垂”(foot drop),是中风患者行走的普遍难点。

通过这种方式,无法控制自身肌肉的患者们,一个饱受困扰的关键问题——行走,得到了缓解。他们可以抬起腿,同样重要的是,他们的脚趾尖不会向下坠,这样脚尖不会在行走时拖在地上以至于摔倒。这是完美的行走协助装置。

Walsh 解释道:“辅助特定关节的外骨骼是前所未有的,在过去,人们全都只想着研发覆盖整条腿的外骨骼。而我们只专注于一个关节。关键的是,在中风病例中,这个关节是行动受损最严重的。另外,我们做到了让材料很轻并且很容易穿戴。简单的就是最好的,这是我们的座右铭。”

在早期的设计中,拉动线缆以帮助使用者抬腿、抬脚尖的带轮,被一个类似于像是手推车的装置驱动,它需要吭哧吭哧地跟随着使用者。而目前的动力装置已大幅缩减了体积,这是该系统最关键的改进之一。现在,它只重 4.5kg,背着它的使用者不至于太累。Walsh 认为在不久的将来,他们可以进一步缩小动力装置:“马达会变得更轻,电池也会更轻,这些都是很大的好处。”

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改进后的驱动装置

动力装置还内含惯性测算单元( inertial measurement units,IMU),它们会分析使用者脚部移动的力量,并相应地拉升或者降低带轮。为了让系统正常工作,传感器必须精确到毫秒。Walsh 说,驱动的时机绝对是最关键的

这套柔性外骨骼已经成功进行了测试。穿着它的中风患者在跑步机上慢走的视频,证明了它提升人们行动能力的效果。当穿上柔性外骨骼之后,患者们不再需要攥着手杖,他们的脚步变得更快且更有信心。Walsh 强调,他们的系统并不是行动力受限的唯一解决方案。刚性机械外骨骼永远会有用处,比如针对全身瘫痪的患者。但对于不那么严重的情况,轻便灵活的柔性外骨骼会是更好的选择。

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柔性外骨骼对中风患者的意义

据卫报报道,每年英国都有约 11 万人遭受中风。 大多数患者能活下来,但中风仍旧是英国第三大死亡原因,仅次于心脏病和癌症。中风发生的原因是脑部血液输送的中断,这通常是由血液凝结块或者血管爆裂引起。中风会影响肌肉的工作。英国中风协会指出,大脑通过神经向肌肉传递命令信号,来使肌肉动作。中风给大脑造成损伤,也打断了这些信号。典型的中风症状包括足下垂和软弱无力没精神(老中医:肾虚)。病人感到疲劳并且动作笨拙,这让他们更难以控制肢体动作。

哈佛大学 Wyss 生物工程研究所 (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)也参加了这个柔性外骨骼项目。 它的研究员 Ignacio Galiana 说“中风患者往往选择远离社会,他们不再外出,不再参加社交活动,甚至孙子的运动会也不再去。他们选择待在家里,不再锻炼身体,因为这耗费精力也很累。他们从我们的世界中消失。通过让他们能再次行走,我们希望能不再让这样的情况发生。”

这个柔性外骨骼的设计目标并不是全天的穿戴,而是让中风患者每天能穿着它出去溜达几个小时,不至于精疲力尽。这个设备应该也能在帮助患者重新行走的康复理疗中派上用场。Walsh 说:“这是一个能极大加速、延伸中风患者康复过程的工具。有了柔性外骨骼,患者们不再需要考虑怎么行走,这会变得更自然,就像他们中风前一样。”

至于临床应用的日期,Walsh 展望他的团队能够在三年左右把原型机推向市场。柔性外骨骼并不会局限于帮助中风患者。Walsh 补充道:“脑瘫,阿兹海默症(老年痴呆症),多重硬化症,帕金森症,老年行动不便等情况全都可以从这副设备获益。当肌肉不再有足够的力量让人走动,柔软的、可穿戴的机器人会帮助他们。”

via the guardian



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