哈佛柔性外骨骼诞生始末：教授放弃机械外骨骼，只为让中风患者重新行走

文/三川

哈佛生物设计研究所：柔性外骨骼的诞生地

普通人一定想象不出哈佛工程师 Conor Walsh 的实验室是什么样子。这里既没有离心机，没有通风橱，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衫和跑步鞋。在另一面墙的架子上，短裤和裤袜被仔细得叠好，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裤衩儿缝补丁。

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。但这不是耐克的实验室。 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体机器人技术的 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。”

Conor Walsh （左）和同事

由于他的杰出研究， 35 岁的 Conor Walsh 在上个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 68 万人民币）奖金用于软体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外骨骼。他还计划把研究成果应用到其他医疗领域，帮助帕金森症和脑瘫患者，以及遭受其它病症而行动力受限的人。

哈佛大学之前开发的，能帮助士兵搬运重物的柔性外骨骼系统。

Conor Walsh 放弃机械外骨骼，转而研究柔性外骨骼

Walsh 是都柏林圣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外骨骼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，机械外骨骼是一个硬的、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。想象一下钢铁侠里面 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 接触刚性机械外骨骼，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，并且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，如果有一副柔性外骨骼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 and 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：柔性外骨骼.

柔性外骨骼的原理和结构

这副外骨骼的原理是：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装置（pulleys），一端连在小腿布带上，另一端连在用户背后的动力装置上。当使用者要抬起脚迈步时，动力装置会拉动带轮线缆，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在地上。该情况被称为“足下垂”（foot drop），是中风患者行走的普遍难点。

通过这种方式，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在地上以至于摔倒。这是完美的行走协助装置。

Walsh 解释道：“ 辅助特定关节的外骨骼是前所未有的，在过去，人们全都只想着研发覆盖整条腿的外骨骼。而我们只专注于一个关节。 关键的是，在中风病例中，这个关节是行动受损最严重的。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装置驱动，它需要吭哧吭哧地跟随着使用者。而目前的动力装置已大幅缩减了体积，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装置：“马达会变得更轻，电池也会更轻，这些都是很大的好处。”

改进后的驱动装置

动力装置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， 传感器必须精确到毫秒 。Walsh 说， 驱动的时机绝对是最关键的 。

这套柔性外骨骼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视频，证明了它提升人们行动能力的效果。当穿上柔性外骨骼之后，患者们不再需要攥着手杖，他们的脚步变得更快且更有信心。Walsh 强调，他们的系统并不是行动力受限的唯一解决方案。 刚性机械外骨骼永远会有用处，比如针对全身瘫痪的患者。但对于不那么严重的情况，轻便灵活的柔性外骨骼会是更好的选择。

柔性外骨骼对中风患者的意义

据卫报报道，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的中断，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，大脑通过神经向肌肉传递命令信号，来使肌肉动作。中风给大脑造成损伤，也打断了这些信号。典型的中风症状包括足下垂和软弱无力没精神（老中医：肾虚）。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）也参加了这个柔性外骨骼项目。 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，甚至孙子的运动会也不再去。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。通过让他们能再次行走，我们希望能不再让这样的情况发生。”

这个柔性外骨骼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溜达几个小时 ，不至于精疲力尽。这个设备应该也能在帮助患者重新行走的康复理疗中派上用场。Walsh 说：“这是一个能极大加速、延伸中风患者康复过程的工具。 有了柔性外骨骼，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 三年左右 把原型机推向市场。柔性外骨骼并不会局限于帮助中风患者。Walsh 补充道：“脑瘫，阿兹海默症（老年痴呆症），多重硬化症，帕金森症，老年行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 。”

via the guardian