三川

普通人一定想象不出哈佛工程師Conor Walsh的實(shí)驗(yàn)室是什么樣子。這里既沒(méi)有離心機(jī)、通風(fēng)櫥，也沒(méi)有成排的試管——而是掛滿(mǎn)了各式各樣的衣服。

在實(shí)驗(yàn)室的一頭，站立著一組穿著T恤和運(yùn)動(dòng)褲的假人模特。它們背后擺放著一排排的運(yùn)動(dòng)衫和跑步鞋。在另一面墻的架子上，短褲和褲襪被仔細(xì)得疊好，并且細(xì)心地標(biāo)注著尺碼。甚至你還能看到學(xué)生給一條褲衩兒縫補(bǔ)丁的情景。

如果這家實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)在商業(yè)街上，你會(huì)把它當(dāng)做是某高端訂制運(yùn)動(dòng)品牌的門(mén)店。但這不是耐克的實(shí)驗(yàn)室，這是哈佛大學(xué)生物設(shè)計(jì)研究所，它進(jìn)行著一項(xiàng)會(huì)顛覆現(xiàn)有軟體機(jī)器人技術(shù)的項(xiàng)目。該項(xiàng)目還計(jì)劃改變中風(fēng)患者的命運(yùn)——幫助他們行走。

Conor Walsh教授是該實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人，他說(shuō)：“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們?cè)谧瞿芴峁﹦?dòng)力的衣服，幫助移動(dòng)能力受限的病人重新動(dòng)起來(lái)。這些‘衣服能幫他們抬起腳并且重新行走。這是動(dòng)力服領(lǐng)域的終極課題。”

由于他的杰出研究，35歲的Conor Walsh被授予勞力士雄才偉略大獎(jiǎng)（Rolex award for enterprise）。他計(jì)劃把獲得的10萬(wàn)瑞郎（約68萬(wàn)人民幣）獎(jiǎng)金用于軟體機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)上，以開(kāi)發(fā)能幫助士兵和體力工作者搬運(yùn)重物的柔性外骨骼。他還計(jì)劃把研究成果應(yīng)用到其他醫(yī)療領(lǐng)域，幫助帕金森癥和腦癱患者，以及遭受其它病癥而行動(dòng)力受限的人。

放棄機(jī)械外骨骼，轉(zhuǎn)而研究柔性外骨骼

Walsh是都柏林圣三一學(xué)院生產(chǎn)制造和機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的研究生。在學(xué)生時(shí)代，當(dāng)他聽(tīng)說(shuō)美國(guó)研發(fā)的機(jī)械外骨骼能幫助人搬運(yùn)重物時(shí)，他開(kāi)始著迷于機(jī)器人技術(shù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，機(jī)械外骨骼是一個(gè)硬的、像機(jī)器人一樣的外殼。它能把使用者裝在里面并且?guī)е凶?。想象一下鋼鐵俠里面 Robert Downey Jr穿的金屬盔甲，還有電影異形里Sigourney Weaver大戰(zhàn)異形時(shí)駕駛的機(jī)械骨架。

Walsh認(rèn)為這些看起來(lái)太酷了，所以他申請(qǐng)到MIT生物力學(xué)專(zhuān)家Hugh Herr那里做博士研究。但是，當(dāng) Walsh接觸剛性機(jī)械外骨骼，他發(fā)現(xiàn)它們的使用體驗(yàn)很不好。

“穿著它們就像困在一副機(jī)器人盔甲里面，很硬，很不舒服，很笨拙費(fèi)勁，并且這副盔甲有時(shí)還不能像人那樣移動(dòng)?！?/p>

所以當(dāng)Walsh搬到哈佛，設(shè)立了生物設(shè)計(jì)研究所之后，他決定采用另一條路線(xiàn)。他表示：“我當(dāng)時(shí)立刻意識(shí)到，如果有一副柔性外骨骼向你指出正確的移動(dòng)方式，穿起來(lái)舒適，并且不讓你感到費(fèi)勁，這會(huì)有巨大的生物醫(yī)療應(yīng)用前景。我開(kāi)始想，我們能不能開(kāi)發(fā)出柔軟的可穿戴機(jī)器人呢？”

答案被證明是“能”。Walsh和同事Terry Ellis，Louis Awad and Ken Holt一起，與電氣工程、機(jī)械工程、材料科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家們合作，開(kāi)發(fā)出了一種很巧妙但其實(shí)技術(shù)難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結(jié)構(gòu)

這副外骨骼的原理是：一條布帶捆在使用者的小腿肚肌肉上；用自行車(chē)剎車(chē)線(xiàn)做成的帶輪裝置（pulleys），一端連在小腿布帶上，另一端連在用戶(hù)背后的動(dòng)力裝置上。當(dāng)使用者要抬起腳邁步時(shí)，動(dòng)力裝置會(huì)拉動(dòng)帶輪線(xiàn)纜，這幫助使用者進(jìn)行抬腿動(dòng)作。隨后，當(dāng)腳朝前動(dòng)作的時(shí)候，另一條連接在鞋尖的線(xiàn)纜會(huì)收緊，所以用戶(hù)腳尖不會(huì)拖在地上。該情況被稱(chēng)為“足下垂”（foot drop），是中風(fēng)患者行走的普遍難點(diǎn)。

通過(guò)這種方式，一個(gè)困擾無(wú)法控制自身肌肉患者的關(guān)鍵問(wèn)題——行走，得到了緩解。他們可以抬起腿，同樣重要的是，他們的腳趾尖不會(huì)向下墜，這樣腳尖不會(huì)在行走時(shí)拖在地上而摔倒。這是完美的行走協(xié)助裝置。

Walsh 解釋道：“輔助特定關(guān)節(jié)的外骨骼是前所未有的，在過(guò)去，人們?nèi)贾幌胫邪l(fā)覆蓋整條腿的外骨骼。而我們只專(zhuān)注于一個(gè)關(guān)節(jié)。關(guān)鍵是，在中風(fēng)病例中，這個(gè)關(guān)節(jié)是行動(dòng)受損最嚴(yán)重的。另外，我們做到了讓材料很輕并且很容易穿戴。簡(jiǎn)單的就是最好的，這是我們的座右銘?！?/p>

在早期的設(shè)計(jì)中，拉動(dòng)線(xiàn)纜以幫助使用者抬腿、抬腳尖的帶輪，被一個(gè)類(lèi)似于像是手推車(chē)的裝置驅(qū)動(dòng)，它需要吭哧吭哧地跟隨著使用者。而目前的動(dòng)力裝置已大幅縮減了體積，這是該系統(tǒng)最關(guān)鍵的改進(jìn)之一。現(xiàn)在，它只重4.5kg，背著它的使用者不至于太累。Walsh認(rèn)為在不久的將來(lái)，他們可以進(jìn)一步縮小動(dòng)力裝置：“馬達(dá)會(huì)變得更輕，電池也會(huì)更輕，這些都是很大的進(jìn)步?！?/p>

動(dòng)力裝置還內(nèi)含慣性測(cè)算單元（inertial measurement units，IMU），它們會(huì)分析使用者腳部移動(dòng)的力量，并相應(yīng)地拉升或者降低帶輪。為了讓系統(tǒng)正常工作，傳感器必須精確到毫秒。Walsh說(shuō)，驅(qū)動(dòng)的時(shí)機(jī)絕對(duì)是最關(guān)鍵的。

這套柔性外骨骼已經(jīng)成功進(jìn)行了測(cè)試。穿著它的中風(fēng)患者在跑步機(jī)上慢走的視頻，證明了它提升人們行動(dòng)能力的效果。當(dāng)穿上柔性外骨骼之后，患者們不再需要攥著手杖，他們的腳步變得更快且更有信心。Walsh強(qiáng)調(diào)，他們的系統(tǒng)并不是行動(dòng)力受限的唯一解決方案。剛性機(jī)械外骨骼永遠(yuǎn)會(huì)有用處，比如針對(duì)全身癱瘓的患者。但對(duì)于不那么嚴(yán)重的情況，輕便靈活的柔性外骨骼會(huì)是更好的選擇。

柔性外骨骼對(duì)中風(fēng)患者的意義

據(jù)衛(wèi)報(bào)報(bào)道，每年英國(guó)都有約11萬(wàn)人遭受中風(fēng)。大多數(shù)患者能活下來(lái)，但中風(fēng)仍舊是英國(guó)第三大死亡原因，僅次于心臟病和癌癥。中風(fēng)發(fā)生的原因是腦部血液輸送的中斷，這通常是由血液凝結(jié)塊或者血管爆裂引起。中風(fēng)會(huì)影響肌肉的工作。英國(guó)中風(fēng)協(xié)會(huì)指出，大腦通過(guò)神經(jīng)向肌肉傳遞命令信號(hào)，來(lái)使肌肉動(dòng)作。中風(fēng)給大腦造成損傷，也打斷了這些信號(hào)。典型的中風(fēng)癥狀包括足下垂和軟弱無(wú)力沒(méi)精神（老中醫(yī)：腎虛）。病人感到疲勞并且動(dòng)作笨拙，這讓他們更難以控制肢體動(dòng)作。

哈佛大學(xué)Wyss生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）也參加了這個(gè)柔性外骨骼項(xiàng)目。它的研究員Ignacio Galiana說(shuō)：“中風(fēng)患者往往選擇遠(yuǎn)離社會(huì)，他們不再外出，不再參加社交活動(dòng)，甚至連孫子的運(yùn)動(dòng)會(huì)也不再去。他們選擇待在家里，不再鍛煉身體，因?yàn)檫@耗費(fèi)精力也很累。他們從我們的世界中消失。通過(guò)讓他們能再次行走，我們希望能讓這樣的情況不再發(fā)生?！?/p>

這個(gè)柔性外骨骼的設(shè)計(jì)目標(biāo)并不是全天的穿戴，而是讓中風(fēng)患者每天能穿著它出去溜達(dá)幾個(gè)小時(shí)，不至于精疲力盡。這個(gè)設(shè)備應(yīng)該也能在幫助患者重新行走的康復(fù)理療中派上用場(chǎng)。Walsh說(shuō)：“這是一個(gè)能極大加速、延伸中風(fēng)患者康復(fù)過(guò)程的工具。有了柔性外骨骼，患者們不再需要考慮怎么行走，這會(huì)變得更自然，就像他們中風(fēng)前一樣。”

至于臨床應(yīng)用的日期，Walsh展望他的團(tuán)隊(duì)能夠在三年左右把原型機(jī)推向市場(chǎng)。柔性外骨骼并不會(huì)局限于幫助中風(fēng)患者。Walsh補(bǔ)充道：“腦癱、阿茲海默癥（老年癡呆癥）、多重硬化癥、帕金森癥、老年行動(dòng)不便等情況全都可以從這副設(shè)備中獲益。當(dāng)肌肉不再有足夠的力量讓人走動(dòng)，柔軟的、可穿戴的機(jī)器人會(huì)幫助他們?！?/p>