柔性外骨骼從科幻變為現實

衣曉峰 李麗云

在自然界，蝦、蟹、昆蟲等節肢動物體表堅韌的外骨骼，有保護和支撐內部結構、抵御外部惡劣環境、自我修復的作用。如今外骨骼也已逐步走入了人類生活，例如用于部隊野外訓練、工人裝卸重物、癱瘓患者的肢體康復等。

柔性外骨骼從科幻變現實

哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院電測技術及智能控制研究所的曹天傲博士介紹，現有的各種硬性外骨骼類似機器人的剛性結構，限制了人體的自然運動，且人體關節很難與硬性外骨骼的關節完美契合，因此會帶來較嚴重的不舒適感，長久使用甚至會造成關節勞損等。與之相比，柔性外骨骼是一種可穿戴的類似衣服的軟性設備，可包裹在肢體上，并與人體肌肉和韌帶同時工作，通過特定負載路徑將拉力傳遞到人身體上，并在關節處產生輔助扭矩。柔性外骨骼的內在順應性使其慣性極低，并始終可與生物關節保持一致。

由于這些特性，開創性的柔性外骨骼原型已在國內外的實驗室中陸續被開發出來，如由美國哈佛大學電纜驅動的軟腳踝、日本廣島大學以氣動凝膠肌肉為基礎的軟肘部等。同時，英國利茲大學和我國哈爾濱工業大學團隊聯手攻關，已經初步設計研制出了低成本家用腦卒中患者康復柔性下肢外骨骼，其核心技術是采用氣動肌肉方法包裹患者肢體，將各種生物傳感器安裝在外骨骼外部，測量人體運動時的速度、位置、轉角等信息，進而利用這些力學參數給出特定的康復效果量化評估。而安裝在外骨骼內部的一些生物傳感器還可以捕捉人體運動時的肌肉電信號。

借助柔性外骨骼，一系列過去只能在科幻作品中發生的故事，已能在人間重現，并有望改寫人類認知。特別是在腦卒中患者康復方面，柔性外骨骼極有可能帶來革命性的突破。

腦卒中患者有望恢復運動功能

黑龍江省中西醫結合學會眩暈癥分會主任委員、哈爾濱醫科大學附屬第一醫院神經外科謝春成教授介紹，全球每年約有1500萬人新發生腦卒中，其中超過500萬人死亡。腦卒中造成的腦組織損傷主要是神經細胞受損，這會導致神經通路阻斷，大腦不能有效地控制肢體按個人意圖運動，因此通常會造成患者偏癱和肌肉萎縮等，帶來感知和運動功能障礙，而患者運動障礙往往會不對稱地累及兩側肢體，最終導致四肢癱瘓。其中25%～74%的患者需要借助各種輔助器具或完全依賴護理者才能進行日常活動。當前，傳統的康復治療手段通常依靠康復理療師手動帶動患者的患肢施行被動性的訓練，訓練策略比較單一，而且這種康復需要理療師付出較強的體力勞動，但患者通常難以得到足夠強度與頻次的康復訓練。

針對上述問題，使用柔性外骨骼設備對患者進行康復理療或許是一個不錯的選擇。將其套在患者的患肢上，它便可以按照特定的程序進行重復不間斷的康復訓練工作。尤其在疫情防控期間，患者無法前往醫院，或者身在偏遠的海島或山村，醫生同樣可以利用互聯網建遠程醫療平臺，指導患者穿戴上可重構的外骨骼裝束，在家接受相應的個體化康復訓練。醫生還可在線監控康復訓練的全過程，在出現問題時，根據患者的感覺反饋做出及時的評估和干預。謝春成認為，在外骨骼的助力下，腦卒中患者有望逐漸恢復原有運動功能，打通神經通路，重塑神經系統，逐步回歸患病前的狀態，重返社會。

曹天傲表示，不久的將來，人們佩戴柔性外骨骼也許就像日常穿衣一樣簡便舒適。柔性外骨骼不僅可以協助正常人身姿更矯健、動作更靈活，還有望讓腦卒中、偏癱、漸凍癥者，重癥小兒麻痹癥、嚴重車禍致殘的特殊人群擺脫輪椅，開啟美好人生。