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外骨骼机器人的国产化之路

◎ 文 《法人》见习记者 李韵石

严寒冬日,阳光总能给人带来一丝暖意。家住航天大院的李奶奶坐在阳台上,双手不时地拍打着自己的双腿,用来促进血液循环。

79岁的李奶奶退休前是小学老师,她性格很开朗,很愿意参加户外活动。退休之初的几年还时常约着一些老朋友出去旅游,但随着年龄一天天增大,腿脚就不那么利落了。

“俗话说人老先老腿,我现在就是腿没有劲了,膝盖也会疼。平常最主要的活动就是到楼下坐坐,晒晒太阳,拄着拐棍走几步。当然也得赶上天气好的时候,像这样冷的天气腿会疼,上下楼都很吃力,就不出去了。”李奶奶告诉记者。

与李奶奶有相似经历的人很多,大部分人随着年龄的增长都会面临行动障碍的问题。为了解决这个问题,世界上许多科技公司利用人工智能技术来打造机器人产品助力老年人、残障人士和一些特殊人群。

清华大学智能与生物机械实验室(以下简称“实验室”)、无障碍发展研究院(以下简称“无障碍研究院”)在人工智能康复、无障碍环境等领域产生了不少高水平的科研成果,在辅助残障群体康复和生活质量提升方面发挥了重要作用。在这些机构的引领下,中国的残障事业、无障碍事业亦在高质量发展。

让截瘫患者站起来

走进实验室,首先映入眼帘的是一排排整齐的电脑,一把把指向一致的焊枪。实验室的博士后常婧正在带领几名研究生做试验,她在一名学生的小腿上贴一个火柴盒大小的电子传感器。记者看到,传感器上的显示灯会随着人腿的摆动而闪烁。

在他们身旁,摆放着该实验室的部分研究产品,其中一副外骨骼机器人引起了记者的注意。谈到外骨骼机器人,实验室的负责人、无障碍研究院副院长季红林向《法人》记者表示:“我们从上个世纪80年代就开始研究外骨骼机器人,当时人工智能概念还没有普及,业内称其为截瘫助行器。清华大学在该领域的研究起步很早,而且我们的人机交互和人机耦合技术在全球研究领域是有地位的。”

▲外骨骼机器人

一米多高的外骨骼机器人从外部看上去很简单,但在技术上却融合了传感、控制、信息、融合、移动计算等众多领域的高科技产品。以ES-EXO外骨骼机器人为例,它将使用者上肢和躯干运动功能未受损伤的肌肉所产生的能量传递到下肢,代偿下肢运动功能受损的肌肉,达到使用者和外骨骼同时运动的效果。

与其他国家的外骨骼机器人相比,ES-EXO的明显区别在于髋关节采用特殊的结构设计,可储存使用者髋关节伸展过程中来自重心降低及髋关节屈肌被动拉伸所产生的能量,并在髋关节屈曲过程中释放,为行走时下肢的摆动提供助力,从而提高使用者行走效率,降低能量消耗。

由于人体存在差异,为了达到预期的效果,除了一些常用零部件外,外骨骼机器人与人体接触部分零件都是一单一设计,一单一生产、季红林表示,“想要让外骨骼机器人达到最理想效果,就得考虑机器与人之间的信息输出和输入问题,就是我们经常说的闭环,但这并不容易。”

由于人体利用外骨骼机器人运动时要考虑人的神经系统、肌肉情况以及其他生物指标,所以在设计生产环节,ES-EXO可以根据使用者身高、体重和损伤情况设置参数,以达到满足人体差异的要求。

通过试验证明,ES-EXO外骨骼机器人适用于T8-T12范围内的完全性脊髓损伤患者和T4-T12范围内的非完全性脊髓损伤患者,以及脊柱裂、转移性骨髓炎以及肌源性、神经源性疾病造成的下腰部骨盆、下肢需要支撑的患者。

老龄化社会的重要技术保障

季红林同时表示,像ES-EXO此类的相关技术未来在我国医疗、民用和军事等方面有巨大的发展潜力。在医疗康复机构的临床结果显示,ES-EXO 可以帮助截瘫的人站起来甚至自主地走路。

如此高昂的费用还不一定能买得到,还需要使用者亲自到公司去进行适配,其中所有的费用都要购买者自己承担。这也是造成目前REWALK产品并不畅销的主要原因之一。

与之相比,ES-EXO外骨骼机器人的费用就要低很多。季红林说:“我们早期也做过与REWALK相似的电力驱动技术,甚至可以做到用30瓦的小型马达就可以带动一条腿,包括髋关节和膝关节,但那个费用太高,一般人承担不起。目前的无动力储能技术能降低成本,让我国大部分有需求者都能得到帮助。”

季红林同时表示,ES-EXO外骨骼机器人未来还要大力作用于我国医疗、民用和军事等方面。

在医疗方面,ES-EXO已经可以让截瘫的人站起来甚至自主地走路。

在民用方面,外骨骼机器人主要发展老年人助力技术。我国已经进入老龄化社会,目前60岁以上的老年人已经达到2.49亿人,随着年龄的增长,老人的肌肉和关节都将出现退行性病变,外骨骼机器人可以给他们提供助力。

外骨骼机器人技术仍在发展

未来,随着人工智能技术的发展与升级,外骨骼机器人技术势必也会随之提高。

“中国即将步入高度老龄化社会阶段,又是全世界残障人口(8500万)最多的国家,从需求的角度而言,外骨骼机器人的市场发展潜力是巨大的。”无障碍研究院执行院长助理康尼对记者说,但是康复辅助器具的产业发展还属于起步阶段,未来产品技术和产业化程度需要不断提升,才可能满足社会需求。

速感科技有限公司前视觉技术研究员王凯告诉记者:“一款与人体接触互联的机器人想要得到市场认可,舒适度是一个重要的评判标准。”

他表示,以色列的REWALK外骨骼机器人自2014年产品上市后,由于它的舒适度低以及高昂的价格,市场表现一直不好,甚至导致该公司的股价一直在降低下降。

当记者询问外骨骼机器人未来发展中可能会遇到什么问题时,季林红教授的脸上露出了一丝担忧。我国外骨骼类的康复辅具发展面临一个重要的问题,就是专业技术服务人才数量匮乏,质量不高。因为只有专业的评估适配服务才能够让辅具发挥更好的功效。但就我国而言,目前我们国家需要假肢的人员至少2000万人,而专业装配师仅1200人。

记者了解到,专业的装配师需要通过资格考试,该考试包含机械、医学与信息等多学科内容。季红林教授甚至自嘲道:“我去考可能都考不过。”

而就舒适性的问题,季红林教授表示,随着技术的提高,未来的外骨骼机器人可以最大限度地提高舒适度,以达到人体一部分的效果,而且这个目标早晚会实现。(责编 吕斌 美编 刘晓莹)

编辑:姚瑶