哈佛柔性动力服诞生始末:教授放弃机械动力服,只为让中风患者重新行走

发布时间:2016-12-05  

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普通人一定想像不出哈佛工程师 Conor Walsh 的实验室是什么样子。这里既没有离心机,没有通风柜,也没有成排的试管──而是挂满了各式各样的衣服。

在实验室的一头,站立着一组穿着 T 恤和运动裤的假人模特。它们背后摆放着一排排的运动服和跑步鞋。在另一面墙的架子上,短裤和裤袜被仔细的叠好,并且细心地标注着尺码。在卫报记者 Robin McKie 的一次访问中,他看到一个学生在给一条短裤缝补丁。

如果这家实验室出现在商业街上,你会把它当做是某高端订制运动品牌的门店。但这不是耐吉的实验室。这是哈佛大学生物设计研究所,它进行着一项会颠覆现有软件机器人技术的项目。该项目还计划改变中风患者的命运──帮助他们行走。

Conor Walsh 教授是该实验室的负责人,他说:“简单来说,我们在做能提供动力的衣服,帮助移动能力受限的病人重新动起来。这些‘衣服’能帮他们抬起脚并且重新行走。这是动力服领域的终极课题。”

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▲ Conor Walsh(左)和同事。

由于他的杰出研究, 35 岁的 Conor Walsh 在上星期洛杉矶的一场典礼上被授予劳力士雄才伟略大奖( Rolex award for enterprise)。他计划把获得的 10 万瑞郎 (约台币 317 万 2,000 元)奖金用于软件机器人技术的研发上,以开发能帮助士兵和体力工作者搬运重物的柔性动力服。他还计划把研究成果应用到其他医疗领域,帮助帕金森氏症和脑性麻痹患者,以及遭受其他病症而移动力受限的人。

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▲ 哈佛大学之前开发的、能帮助士兵搬运重物的柔性动力服系统。

Conor Walsh 放弃机械动力服,转而研究柔性动力服

Walsh 是都柏林三一学院生产制造和机械工程专业的研究生。在学生时代,当他听说美国研发的机械动力服是如何帮助人搬运重物,他开始着迷于机器人技术。简单地说,机械动力服是一个硬的、像机器人一样的外壳。它能把使用者装在里面并且带着他行走。想像一下《钢铁侠》里面 Robert Downey Jr 穿的金属盔甲,还有电影《异形》里 Sigourney Weaver 大战异形时驾驶的机械骨架。

Walsh 认为这些看起来太酷了,所以他申请到 MIT 生物力学专家 Hugh Herr 那里做博士研究。但是,当 Walsh 接触刚性机械动力服,他发现它们的使用体验很不好。

“穿着它们就像困在一副机器人盔甲里面,很硬、很不舒服、很笨拙费劲,这副盔甲有时还不能像人那样移动。”

所以当 Walsh 搬到哈佛,设立了生物设计研究所之后,他决定采用另一条路线。他表示:

“我当时立刻意识到,如果有一副柔性动力服向你指出正确的移动方式,穿起来舒适,并且不让你感到费劲,这会有巨大的生物医疗应用前景。我开始想,我们能不能开发出柔软的可穿戴机器人呢?”

答案被证明是“能”。Walsh 和同事 Terry Ellis、Louis Awad、Ken Holt 一起,与电气工程、机械工程、材料科学和神经科学领域的专家们合作,开发出了一种很巧妙但其实技术难度并不高的行走助力方式:柔性动力服。

柔性动力服的原理和结构

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这副动力服的原理是:一条布带捆在使用者的小腿肚肌肉上;用自行车刹车线做成的的带轮设备(pulleys),一端连在小腿布带上,另一端连在用户背后的动力设备上。当使用者要抬起脚迈步时,动力设备会拉动带轮线缆,这帮助使用者进行抬腿动作。随后,当脚朝前动作的时候,另一条连接在鞋尖的线缆会收紧,所以用户脚尖不会拖本地上。该情况被称为“足下垂”(foot drop),是中风患者行走的普遍难点。

透过这种方式,无法控制自身肌肉的患者们,一个饱受困扰的关键问题──行走,得到了缓解。他们可以抬起腿,同样重要的是,他们的脚趾尖不会向下坠,这样脚尖不会在行走时拖本地上以至于摔倒。这是完美的行走协助设备。

Walsh 解释:“辅助特定关节的动力服是前所未有的,在过去,人们全都只想着研发覆盖整条腿的动力服。而我们只专注于一个关节。关键的是,在中风病例中,这个关节是移动受损最严重的。另外,我们做到了让材料很轻并且很容易穿戴。简单的就是最好的,这是我们的座右铭。”

在早期的设计中,拉动线缆以帮助使用者抬腿、抬脚尖的带轮,被一个类似于像是手推车的设备驱动,它需要跟随着使用者。而目前的动力设备已大幅缩减了体积,这是该系统最关键的改进之一。现在,它只重 4.5kg,背着它的使用者不至于太累。Walsh 认为在不久的将来,他们可以进一步缩小动力设备:“马达会变得更轻,电池也会更轻,这些都是很大的好处。”

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▲ 改进后的驱动设备。

动力设备还内含惯性测算单元( inertial measurement units,IMU),它们会分析使用者脚部移动的力量,并相应地拉升或者降低带轮。为了让系统正常工作,感测器必须精确到毫秒。Walsh 说,驱动的时机绝对是最关键的。

这套柔性动力服已经成功进行了测试。穿着它的中风患者在跑步机上慢走的影片,证明了它提升人们移动能力的效果。当穿上柔性动力服之后,患者们不再需要倚着手杖,他们的脚步变得更快且更有信心。Walsh 强调,他们的系统并不是移动力受限的唯一解决方案。刚性机械动力服永远会有用处,比如针对全身瘫痪的患者。但对于不那么严重的情况,轻便灵活的柔性动力服会是更好的选择。

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柔性动力服对中风患者的意义

据卫报报导,每年英国都有约 11 万人遭受中风。 大多数患者能活下来,但中风仍旧是英国第三大死亡原因,仅次于心脏病和癌症。中风发生的原因是脑部血液输送中断,这通常是由血液凝结块或者血管爆裂引起。中风会影响肌肉的工作。英国中风协会指出,大脑透过神经向肌肉传递命令讯号,来使肌肉动作。中风给大脑造成损伤,也打断了这些讯号。典型的中风症状包括足下垂和软弱无力没精神,病人感到疲劳并且动作笨拙,这让他们更难以控制肢体动作。

哈佛大学 Wyss 生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)也参加了这个柔性动力服项目。 它的研究员 Ignacio Galiana 说,“中风患者往往选择远离社会,他们不再外出,不再参加社交活动,甚至也不再去孙子的运动会。他们选择待在家里,不再锻炼身体,因为这耗费精力也很累。他们从我们的世界中消失。透过让他们能再次行走,我们希望不再让这样的情况发生。”

这个柔性动力服的设计目标并不是全天的穿戴,而是让中风患者每天能穿着它出去晃几个小时,不至于精疲力尽。这个设备应该也能在说明患者重新行走的康复物理治疗中派上用场。Walsh 说:“这是一个能极大加速、延伸中风患者康复过程的工具。有了柔性动力服,患者们不再需要考虑怎么行走,这会变得更自然,就像他们中风前一样。”

至于临床应用的日期,Walsh 展望他的团队能够在 3 年左右把原型机推向市场。柔性动力服并不会局限于帮助中风患者。Walsh 补充:“脑性麻痹、阿兹海默症(老年痴呆症)、多重硬化症,帕金森氏症、老年移动不便等情况全都可以从这副设备获益。当肌肉不再有足够的力量让人走动,柔软的、可穿戴的机器人会帮助他们。”

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