安德鲁•瑟斯顿 发表于  2017-11-22 22:42

（喻若然|译）身穿沉甸甸的动力装甲，钢铁侠可以从屋顶腾空而起，直冲云霄。当这位超级英雄制服大反派时，这身金灿灿的钛合金行头看上去可真不赖，但要是穿成这样去含饴弄孙，共享天伦之乐，那可就难以消受了。对于那些刚刚从中风中恢复过来的患者而言，想要回到原来的生活，做过去最喜欢的事，现在有一个更好的选择：一款柔软而轻便的外骨骼机器衣。它可以系在腿上，辅助行走，穿到任何地方去。

柔性外骨骼机器衣是如何帮助人们“重新训练”自己的步伐？点击视频查看。这款外骨骼衣可让穿戴者的步态更加匀称，消耗力量更少。

视频来源：Rolex Awards/Wyss Institute at Harvard University

卢·阿瓦德和泰蕊·伊利斯是波士顿大学萨金特保健与康复科学学院的物理治疗教授，也是这款医疗外骨骼衣的制作团队成员。该款可穿戴机器人能够帮助中风患者在复健过程中走得更快，更远，更安全。和钢铁侠那身厚墩墩的钛合金套装相比，它的外壳透气性高，制作材料包括专利产品、细电缆，以及一系列帮助模拟人体肌肉和筋腱的小电机。

这项技术已经获得了销售许可，近几年内可于诊所开放购买。它将改变成千上万人的生活。每年都有795000位美国人遭遇中风，中风导致血液无法流至大脑的某些部分，因而患者或者身体慢性萎缩，或者瘫痪，连简单的行走也变得困难重重，甚至成了相当危险的苦差事。15%-35%的中风患者可以在超过六个月的时间内学习独立行走。其中许多人已无法恢复过往的速度和稳定性。根据美国《脑卒中》杂志的报道，约40%的中风患者在患病一年内，行动能力严重下滑。

仿若天然

这款外骨骼衣是一款电子器械运动护具，造型朴实，却比科幻“生化人”的科技含量更高。其重量仅为10磅。一个火柴盒大小的传感器附着在鞋子靠近脚踝处的外滚口上，两片黑色的外罩包裹了腰部以及大腿下方的大部分区域。而电缆就像自行车的刹车一样，从穿戴者的鞋子里面一直延伸到腿肚子，从鞋舌一直到小腿。戴在腰部的小电机由包含复杂运算法则的电脑装置调节，为电缆提供动力，帮助穿戴者行走。

“中风患者在足部离地时的背屈以及控制与地面的间隙方面存在困难。”伊利斯说。也就是说，他们弯曲脚踝和抬脚的能力降低了。当他们想要把脚后跟压在地面上行走时，会艰难地伸出脚趾，然而脚却卡住了。该款外骨骼衣解决这个问题的方式是让附在鞋舌上的电缆往回收缩，提供一点点力量，把脚趾抬起来。当穿戴者需要往前走动时，后端的电缆则会收缩，以使脚步推离地面，完成名为“跖屈”的运动。

这款外骨骼衣脱胎于一款为军队设计的软体机器人，它的开发者是来自哈佛大学威斯生物启发工程研究中心的哈佛生物实验室团队。该装备也是与萨金特分院物理治疗及运动伤害防护荣誉助理教授肯尼斯·霍尔特合作研发出来的。它将帮助军人和应急救援人员以最小的力气负担重物。用相似的电缆、裹衣和电动机组合，它协同身体一起工作，在搬动重物时帮助降低压力。根据《神经工程学与康复治疗》期刊2016年5月的报道，这套目前还在开发中的装备通过为脚踝和臀部提供辅助力量，将原本大约为穿戴者体重30%的承重降低到了7%左右。

萨金特物理治疗教授泰蕊·伊利斯（左）与卢·阿瓦德正在开发一款帮助人们在中风后重新学习走路的医疗外骨骼衣。摄影/达娜·史密斯

为了将这套装备用于医疗界，威斯邀请伊利斯和阿瓦德加入这个工程师、计算机科学家和商业开发人士的团队。他们需要“根植于临床医疗界，和病人在一起工作的研究专家”，伊利斯说。她是波士顿大学神经康复中心主任。他们面临的第一个大挑战非常实际。阿瓦德表示，这套军队装备是为“负重能力超级强的健壮人士”设计的，它直接运用于身体。

而他们要开发的装备，穿戴者需要用它来承担人体肌肉、筋腱和骨骼的特定力量，并在此基础上提供助力。这不是身强体健的军人所面临的麻烦，而是罹患中风的老人们特有的问题。

开发这款医疗版外骨骼衣的伊始，团队便在寻找相较军队装备更为柔软的面料。“第一个样品使用的材料是安全带的织带。”阿瓦德说。他是波士顿大学神经康复实验室主任。这套医疗装备是“用合成材料制成，安全，透气性强，与穿戴者的腿部贴合得更好”。他们还做了一些其它改造。尽管原版装备适用于两条腿，而医疗装备则只需一条腿，但它却需要集中协助推离地面这一动作，而军队装备却不需要考虑军人伸展脚趾的问题。“军队装备的目标是对抗自然，打破自然制造的障碍，”阿瓦德说，“而用于医疗的外骨骼衣，目标却是将人们重新变成自己原来的样子。”

两个版本的装备都有传感器，可将信息传导至电脑控制装置，阿瓦德把它叫做“大脑”。当一个人大步向前时，它可以将准确的辅助力度提供给每一位使用者。大脑是有适应能力的，阿瓦德说，“所以当一个人突然走得快了，或者改变了行走节奏，它都能辨认出来，给予回应。”尽管截至目前，测试仍停留在实验室内，但它最终应让穿戴者能够驾驭凹凸不平的路面。

阿瓦德说，该装备的一大特色是它的运行模式创意，这使它区别于其它正在开发中的设备。而这也正是萨金特团队的主要贡献。如同更加柔软的面料一样，插入医疗外骨骼衣控制装置内的运算程序也会保证不会为穿戴者的身体造成更大压力。

“这是一款深刻了解人类运动规律的产品，而且它同样懂得当人们中风后，运动会产生怎样的问题。”他说。“这是我们与生物力学团队、工程师讨论之后的结果，我们把中风患者的运动方式教给他们。他们没有那样的经验。”

“哦，天哪！哦，天哪！”

这套医疗外骨骼衣装备遥遥领先于当前中风后的康复训练方式：踝足矫形器。它是一款笨拙的模制塑料装置，自1980年代早期一直沿用至今。这只僵硬的靴子从小腿肚子延伸到脚踝，以90度角支撑住大腿和脚部。该款矫形器通过锁住脚踝来阻止穿戴者的脚趾碰伤继而跌倒。“但正因为有一个僵死的90度角，你无法蹬脚离开地面，只能抬起大腿，因而失去了正常步态的关键动作。”伊利斯说。这款靴子使人能够在一定程度上重获独立行走的能力，但它不能帮助他们去做自己爱做的事。阿瓦德补充道，它还可能会带来一些并发症。“如果你在很年轻时就中风了，那部分没有直接受到中风影响的肌肉也会相应萎缩。”

在测试中，一些参与者穿上医疗外骨骼衣后，几乎完全恢复了中风前的步伐速度。在一个外骨骼衣测试会议上，使用者的步速甚至开始超过监控他行动的理疗师。在另一个测试中，阿瓦德看见一个参与者开心地大喊：“哦，天哪！哦，天哪！”“她告诉我，‘我当时都开始琢磨我的杂货铺购物清单了，而之前每天除了走路，我啥也没法儿想。我必须考虑面前的下一步要怎么走，否则我就会摔倒。’”

对于外骨骼衣的开发者们而言，未来的一大目标就是如何提升仿生学辅助行走的传感能力，以帮助它更好地适应不同的活动。摄影/罗勒克斯 弗雷德·梅兹

通过一系列报告和学术文章，研究者们已经量化出了这套装备的影响力。他们发现参与者能够更有效、更轻松地蹬离地面，走得更远，速度更快。这项研究是由军队资助，通过美国国防高级研究计划局的“勇士网络”项目（Warrior Web Project）进行的，赞助机构还包括美国国家科学基金、威斯研究中心、哈佛鲍尔森学院，以及美国心脏病协会。研究结果刊登在2017年7月26日的《科学转化医学》期刊上。首席研究员科纳·沃尔什是哈佛大学的一位工程及应用科学助理教授，他也是威斯研究中心的一名核心教学人员。

伊利斯无意于让这套装备取代理疗师在中风康复训练中的地位。它的作用其实是帮助人在中风之后的短时间内重拾行走能力，让他们在出院后可以自己练习在家中行走。

“在这个国家，一旦你中风，大约3个月后，所有康复训练就结束了。”她说。“这真是一大弊端。因为有许多研究表明，循序渐进的康复治疗是非常有效的，许多身体机能可以得到提升。一位理疗师可以开出外骨骼衣的处方，并针对每一位患者的不同情况设置参数。”

让科学尽善尽美

为了调研如何在实验室外最大限度地应用外骨骼衣，团队正在寻求资金赞助。通过美国国立儿童健康与人类发育研究所，他们最近刚刚获得了国立卫生研究院的拨款，继续开发这项技术。尽管当前的首要目标还是让这套装备服务于中风患者，但团队还计划探索更多应用空间，诸如为帕金森症、多发性硬化症、脑瘫患者定制相应的装备。目前这款医疗外骨骼衣只是强化脚踝运动，但与哈佛合作的新项目将专门研发一个可以全面支持膝盖和臀部运动的系统。

现在单体项目的赞助是由波士顿大学临床及转化科学研究所的试点补贴所提供的。阿瓦德正在设法改进可穿戴设备的传感能力和辅助受损运动的能力。他说，目前的传感器在跟踪数据方面能力很强，如关节的角度和速度，腿能动得多快。但当该运动的其它关联动作出现时，它的判断力稍有不足：这名用户是在正确的位置行走或者跨步向前吗？他们是在拐弯还是在走直线？他正在开发一个可以涵盖这一系列行为的运算系统，和他一起攻克难题的还有罗伯托·特罗恩，波士顿大学工程学院的助理教授。

ReWalk Robotics公司（注：以色列外骨骼系统提供商）已经为这项技术颁发了许可证，正在等待FDA（美国食品及药物管理局）的批准。该款医疗外骨骼衣将于2018年正式面世。虽然任何人在穿上它以后都不可能像钢铁侠那样一猛子扎进平流层，但它却可以让千千万万位祖父祖母在孙子面前再扮演一次超级英雄。（编辑：明天）

原文来源： 波士顿大学科研网站 bu.edu/research