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他山之石:国外康复机器人公司的商业化之路

发表时间:2019-10-30 00:00

一、从科幻到现实——外骨骼的发展史

1959年,科幻小说作家罗伯特•海因莱因在他的著名科幻小说《星船伞兵》中,提出了“动力装甲”这一科幻概念,后来成为了机械外骨骼的雏形。外骨骼的概念来源于节肢动物为保护和支撑身体、帮助行动的坚硬外部结构。而人类则能通过机械传动和控制系统仿生出机械外骨骼,让人们跑得更快、跳得更高、负重更多。既能够帮助改善行动不便的人们提高行动能力,也可以让正常人拥有更强的力量与速度,完成更加困难的战斗或工业生产任务。

在这部科幻小说的启发下,美国和日本在1960年后分别开启了机械外骨骼的研究。美国由军方主导研发,日本则直接从外骨骼的商业用途入手,关注帮助残疾人和老年人进行日常生活和生活(散步、爬楼梯、负载等)。

20世纪60年代,美国GE公司就研发了一种基于主从控制的外骨骼原型机哈迪曼(Hardiman)外骨骼手。其设计目的是协助使用者在外太空、核工厂、水下等进行工作。该公司第一个提出并开展增强人体机能的主动助力型机械骨骼机器研究。其机械骨骼体积巨大且笨重,安全性能低,也只能取代单只手功能。

1991年,日本神纳川理工学院开发了一套独立的可穿助力外套,称为“动力辅助服”,该产品使用肌肉压力传感器,分析佩戴者的运动情况,通过微型气泵、便携式镍镉电池及嵌入式微处理器,提供足够的助力。开发该产品是专为护士研制,可使人的力量增加0.5-1倍。

2002年,美国SARCOS公司推出世界上第一件机械外骨骼衣(XOS)。穿上“XOS”时,人们能用负重9kg的力量举起90kg的重物,并且能连续举50-500次。但“XOS”有一个重大缺陷:自带的电池只能使用40分钟,需要拖着一条电线随时充电。

2010年,伯克利仿生研究所研制出的一种由电池提供动力的机械骨骼系统“eLEGS“。这是世界上第一款不使用绳或链达到自然行走目标的外骨骼,使用者通过手臂姿势控制,向前移动右拐杖,则左腿随之向前移动,帮助截瘫患者摆脱轮椅以自然步态行走。

在医疗方面,步态训练是下肢功能障碍康复训练的主要方式,机械骨骼可以应用在神经康复领域的特定训练中,能够保证高效的康复训练,因此非常适合老年人和残疾人使用。在机器人外骨骼的帮助下,中风患者可以比传统的物理治疗更快的恢复手臂运动能力。传感器检测肌肉力量、运动范围和脑活动,还能把患者的进展告知治疗师。这类机器还有助于重新训练大脑,使健康的区域能够补偿损伤的区域。机器人系统还帮助患者重新学习步行和其他运动技能。


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