柔性外骨骼帶來重新站立的希望

三川

普通人一定想象不出哈佛工程師Conor Walsh的實驗室是什么樣子。這里既沒有離心機、通風櫥，也沒有成排的試管——而是掛滿了各式各樣的衣服。

在實驗室的一頭，站立著一組穿著T恤和運動褲的假人模特。它們背后擺放著一排排的運動衫和跑步鞋。在另一面墻的架子上，短褲和褲襪被仔細得疊好，并且細心地標注著尺碼。甚至你還能看到學生給一條褲衩兒縫補丁的情景。

如果這家實驗室出現在商業街上，你會把它當做是某高端訂制運動品牌的門店。但這不是耐克的實驗室，這是哈佛大學生物設計研究所，它進行著一項會顛覆現有軟體機器人技術的項目。該項目還計劃改變中風患者的命運——幫助他們行走。

Conor Walsh教授是該實驗室的負責人，他說：“簡單來說，我們在做能提供動力的衣服，幫助移動能力受限的病人重新動起來。這些‘衣服能幫他們抬起腳并且重新行走。這是動力服領域的終極課題。”

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（Rolex award for enterprise）。他計劃把獲得的10萬瑞郎（約68萬人民幣）獎金用于軟體機器人技術的研發上，以開發能幫助士兵和體力工作者搬運重物的柔性外骨骼。他還計劃把研究成果應用到其他醫療領域，幫助帕金森癥和腦癱患者，以及遭受其它病癥而行動力受限的人。

放棄機械外骨骼，轉而研究柔性外骨骼

Walsh是都柏林圣三一學院生產制造和機械工程專業的研究生。在學生時代，當他聽說美國研發的機械外骨骼能幫助人搬運重物時，他開始著迷于機器人技術。簡單地說，機械外骨骼是一個硬的、像機器人一樣的外殼。它能把使用者裝在里面并且帶著他行走。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大戰異形時駕駛的機械骨架。

Walsh認為這些看起來太酷了，所以他申請到MIT生物力學專家Hugh Herr那里做博士研究。但是，當 Walsh接觸剛性機械外骨骼，他發現它們的使用體驗很不好。

“穿著它們就像困在一副機器人盔甲里面，很硬，很不舒服，很笨拙費勁，并且這副盔甲有時還不能像人那樣移動。”

所以當Walsh搬到哈佛，設立了生物設計研究所之后，他決定采用另一條路線。他表示：“我當時立刻意識到，如果有一副柔性外骨骼向你指出正確的移動方式，穿起來舒適，并且不讓你感到費勁，這會有巨大的生物醫療應用前景。我開始想，我們能不能開發出柔軟的可穿戴機器人呢？”

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、機械工程、材料科學和神經科學領域的專家們合作，開發出了一種很巧妙但其實技術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構

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；用自行車剎車線做成的帶輪裝置（pulleys），一端連在小腿布帶上，另一端連在用戶背后的動力裝置上。當使用者要抬起腳邁步時，動力裝置會拉動帶輪線纜，這幫助使用者進行抬腿動作。隨后，當腳朝前動作的時候，另一條連接在鞋尖的線纜會收緊，所以用戶腳尖不會拖在地上。該情況被稱為“足下垂”（foot drop），是中風患者行走的普遍難點。

通過這種方式，一個困擾無法控制自身肌肉患者的關鍵問題——行走，得到了緩解。他們可以抬起腿，同樣重要的是，他們的腳趾尖不會向下墜，這樣腳尖不會在行走時拖在地上而摔倒。這是完美的行走協助裝置。

Walsh 解釋道：“輔助特定關節的外骨骼是前所未有的，在過去，人們全都只想著研發覆蓋整條腿的外骨骼。而我們只專注于一個關節。關鍵是，在中風病例中，這個關節是行動受損最嚴重的。另外，我們做到了讓材料很輕并且很容易穿戴。簡單的就是最好的，這是我們的座右銘。”

在早期的設計中，拉動線纜以幫助使用者抬腿、抬腳尖的帶輪，被一個類似于像是手推車的裝置驅動，它需要吭哧吭哧地跟隨著使用者。而目前的動力裝置已大幅縮減了體積，這是該系統最關鍵的改進之一。現在，它只重4.5kg，背著它的使用者不至于太累。Walsh認為在不久的將來，他們可以進一步縮小動力裝置：“馬達會變得更輕，電池也會更輕，這些都是很大的進步。”

動力裝置還內含慣性測算單元（inertial measurement units，IMU），它們會分析使用者腳部移動的力量，并相應地拉升或者降低帶輪。為了讓系統正常工作，傳感器必須精確到毫秒。Walsh說，驅動的時機絕對是最關鍵的。

這套柔性外骨骼已經成功進行了測試。穿著它的中風患者在跑步機上慢走的視頻，證明了它提升人們行動能力的效果。當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強調，他們的系統并不是行動力受限的唯一解決方案。剛性機械外骨骼永遠會有用處，比如針對全身癱瘓的患者。但對于不那么嚴重的情況，輕便靈活的柔性外骨骼會是更好的選擇。

柔性外骨骼對中風患者的意義

據衛報報道，每年英國都有約11萬人遭受中風。大多數患者能活下來，但中風仍舊是英國第三大死亡原因，僅次于心臟病和癌癥。中風發生的原因是腦部血液輸送的中斷，這通常是由血液凝結塊或者血管爆裂引起。中風會影響肌肉的工作。英國中風協會指出，大腦通過神經向肌肉傳遞命令信號，來使肌肉動作。中風給大腦造成損傷，也打斷了這些信號。典型的中風癥狀包括足下垂和軟弱無力沒精神（老中醫：腎虛）。病人感到疲勞并且動作笨拙，這讓他們更難以控制肢體動作。

哈佛大學Wyss生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）也參加了這個柔性外骨骼項目。它的研究員Ignacio Galiana說：“中風患者往往選擇遠離社會，他們不再外出，不再參加社交活動，甚至連孫子的運動會也不再去。他們選擇待在家里，不再鍛煉身體，因為這耗費精力也很累。他們從我們的世界中消失。通過讓他們能再次行走，我們希望能讓這樣的情況不再發生。”

這個柔性外骨骼的設計目標并不是全天的穿戴，而是讓中風患者每天能穿著它出去溜達幾個小時，不至于精疲力盡。這個設備應該也能在幫助患者重新行走的康復理療中派上用場。Walsh說：“這是一個能極大加速、延伸中風患者康復過程的工具。有了柔性外骨骼，患者們不再需要考慮怎么行走，這會變得更自然，就像他們中風前一樣。”

至于臨床應用的日期，Walsh展望他的團隊能夠在三年左右把原型機推向市場。柔性外骨骼并不會局限于幫助中風患者。Walsh補充道：“腦癱、阿茲海默癥（老年癡呆癥）、多重硬化癥、帕金森癥、老年行動不便等情況全都可以從這副設備中獲益。當肌肉不再有足夠的力量讓人走動，柔軟的、可穿戴的機器人會幫助他們。”