半机械人“奥运会”推动助残技术创新

　　　半机械人“奥运会”推动助残技术创新

　　 

　　参赛选手Matt Standridge使用帮助瘫患者行走的外骨骼。图片来源：Eric Kayne

　　神经机械假肢奥运会的目标是，让参赛设备有益于技术的发展，并最终让全世界有需要的人使用。

　　Vance Bergeron曾是一位业余自行车手，每年骑行7000公里。但2013年2月，这位50岁的化学工程师在骑车去法国里昂高等师范学校上班的途中遭遇车祸，他被弹到空中，落地时头部遭到撞击并扭伤了脖子。醒来时，他发现双腿再也无法移动，手臂也不再灵活。

　　卧床数月进行各种康复治疗后，Bergeron开始寻找能重新骑车的方法。他开始学习神经科学，主要研究将人变为“半机械人”的机器假肢。他了解到，有些假肢通过一种功能性电刺激（FES）技术给萎缩或残存的肢体传输信号，能帮助肌肉收缩并修复某些功能。

　　在可以使用轮椅后，Bergeron立即返回实验室，将该创意付诸实践，并将研究重点变成了神经科学。他把自己当成实验室的小豚鼠，与团队一起研究如何刺激腿部神经，才能让腿部肌肉弯曲并踩动自行车。“我成为了自己的研究项目，一举两得。”他说。

　　Bergeron定期参加增肌训练，但他受人工刺激的双腿功率最多只能达到20瓦，为普通自行车手（150~200瓦）的1/10。为了提高假 肢性能，他和团队正尝试在碳纤维横卧三轮车中放入FES控制器和电极。10月8日，他将带着这个发明前往瑞士苏黎世，与Cybathlon的其他FES自 行车手一决高下。Cybathlon是瑞士国家竞赛研究中心主办的“神经机械假肢奥运会”。

　　机器学习

　　这项比赛耗资500万欧元，来自全世界25个国家的约80个研究小组都在为此次盛事厉兵秣马。他们既有小型团队，也有世界最大的先进假肢制造商，约300位科学家、工程师、技术支持员工及参赛人员参与其中。参赛人员都是残障人士，每人将从6项比赛中选择一项，挑战自己处理日常生活杂务的能力。在假肢使用者比赛中，第一个完成做饭、挂衣服等任务的“半机械人”将取得冠军。而在电动轮椅比赛中，参赛者将比拼在应对碰撞和台阶等日常障碍物的能力。

　　比赛场地将用电视摄像机拍摄赛况，每个团队要有自己的运动衣，使Cybathlon和残奥会一样充满运动氛围。但两者的不同在于，残奥会追求的是人类自己的表现：运动员必须使用市场上可买到的设备，只运用本身的肌肉力量。但Cybathlon则追求科技和创新，参赛者将使用有动力装置，而且多是 刚从实验室研发的假肢，他们更多的是驾驶员而不是运动员。Cybathlon的目标是，让参赛设备有益于技术的发展，并最终让全世界有需要的人使用。

　　Cybathlon的发起者、苏黎世联邦理工学院生物医学工程师Robert Riener说，Cybathlon比拼的日常任务远非看起来那么容易。“我认为人们被互联网和好莱坞电影宠坏了。”他说，“我们想告诉他们，世界上还有很多挑战。”

　　Riener提到，Cybathlon的起源可以追溯到一项慈善活动的新闻报道：2012年11月，在一场车祸中失去了一条腿的Zac Vawter，使用实验性的、机动化假腿以仅仅45分钟就爬上了芝加哥103层的威利斯大厦。

　　这个壮举震撼了媒体和Riener。但这也让Riener受挫：Vawter的设备和Riener实验室的类似令人震撼的假体以及来自全世界的 类似设备，都没有用到需要它们的人身上。他认为，“我们在做伟大的工作，但没能很好地销售这些设备。”所以，为何不通过在研究修复疗法的团体中开展竞赛吸 引人们对科技的注意呢？

　　Riener的实验室团队对设计这样的比赛项目感到兴奋。不久，消息就传给了全世界的同事。他还意识到，对于使用义肢的人来说，解决日常生活中的挑战是更加重要、更具实际意义的。所以，他确定Cybathlon比赛绝不应该像奥林匹克运动会一样。

　　大脑的力量

　　显然，脑—机接口（BCI）竞赛是最奇怪的。15名运动员穿戴着设备坐上4分钟，比赛现场的大屏幕上播放着他们大脑里出现的内容。每名运动员都 将利用大脑活动的特定模式尝试引导屏幕上的字符通过障碍物，一个电极帽转能将脑电波换成3个命令：加速、跳过障碍或翻滚过激光束。

　　基本上，这些模式可以是任何东西。例如，在英国科尔切斯特的埃塞克斯大学，博士后Ana Matran-Fernandez带着一群在读和已毕业的学生设计出一个算法，能将这3个动作与运动员的想法或者其手脚联系在一起，或者通过一个数学方程与执行的任务联系在一起。

　　这个电子信号很弱，而且每个都不同，所以可能很难在各种命令中被区分开来，尤其当一名运动员因为比赛中的欢呼和肾上腺素飙升而分心时。瑞士联邦 理工学院神经科学家Jos del R. Millán说，持续专注任务非常消耗精力。他的团队正在研究如何预测思维模式，使这种联系更自然，同时让运动员放松。

　　BCI可能不再会用于真实的跳跃和跑步中，因为探测肌肉中的电子活动非常简单。但如果这类设备的制作成本降低且够精确的话，它们或有助于残障人士引导轮椅、光标，甚至是带有Skype功能的机器人，让他们参与到比赛中。“事实上，你能在实验室里开发这个技术然后将它做出来。如果确实有用，就意味着这个技术是有前景的。”Matran-Fernandez 说。

　　其他Cybathlon赛事将利用更传统的设备。在假肢竞赛中，选手必须跨越诸如楼梯、散落的石头、倾斜的路面和门等障碍物，更不用说坐在轮椅上和站起来这种基本的动作了。几名参赛选手将戴上最先进的人工膝盖和脚踝，它们能探测到运动员行走时的力量进行加速，而且当运动员快要跌倒时，能修正他们的动作。

　　但与整个身体自然的动作相比，即便最先进的人体设备也会相形见绌。当一个人用手臂捡起一支笔时，他们的大脑和外周神经系统会协调出手与笔的距离，知道如何把每个手指的关节弯曲成一个精确的形状，知道抓起这支笔的难度——所有的这些都是无意识的。但标准的可移动假肢则需要使用者有意识地去做这些事情。这样很费劲，这也是截肢者为什么不愿戴这些假肢的一个原因。

　　为了尽可能实现无意识效果，研究者不得不创建能解码肌肉和神经信号的算法，并预测出穿戴设备的人想要做什么。在加拿大本拿比，一个名为MASS 的Cybathlon团队正与残障运动员Danny Letain合作。这个团队已经做出了一个手臂假肢接在Letain的残肢上，上面有一个平面按钮板。

　　Letain利用对一只手的记忆，想象做出11种姿势中的一种，比如用手指指向某处。残肢上的肌肉会按压这些按钮，并告诉假手去做动作。Letain很高兴地发现，曾经控制手指的大脑回路仍能执行命令。“我正在用一个我已经35年没用过的东西。”他说。

　　有些手臂甚至更先进。瑞士哥德堡查尔摩斯工学院生物医学工程师Max Ortiz Catalan团队开发了一种双向假体手臂，可以在运动时产生感觉。这个手臂是永久植入在佩戴者骨骼中的，使用9个电极接收残肢肌肉发送至该假肢的电机指令，并将手指传感器中的信号传回手臂的感知神经元。Magnus Niska是世界上唯一在实验室外穿戴过这种假肢的人。Ortiz Catalan希望，感知物体能力会给Niska带来竞争优势。

　　关注奖励

　　美国凯斯西储大学生物医学工程师Ronald Triolo原本认为，Cybathlon是一个愚蠢的主意。他曾认为应该想办法在这些问题上达成国际合作，而不是竞争。

　　但Triolo最终想通了：Cybathlon至少是一个很好的学习机会。Riener希望公开竞赛能比传统的学术研究更好地激发创造力，传统流程会受到研究者对知识产权的担心和经费竞争等阻碍。

　　美国哈佛商学院经济学家Karim Lakhani注意到，竞赛也会迫使研究者更快地完成工作，并且消除对可行性的顾虑，而这种顾虑就是阻碍他们开始的因素。他指出自动驾驶汽车曾一度失去了发展活力，直到2005年美国国防高级研究计划署举办了一场奖金为200万美元的竞赛。“这次比赛也会起到同样的作用。”Lakhani表示。 Cybathlon的奖励不是金钱，只是奖牌，但获胜者所享受到的认可会起到同样的激励作用。

　　也许奖励带来的最大好处在于给了不知名选手一个与知名运动员——例如Lakhani同台竞技的机会。德国Otto Bock康复中心产品经理 Christof Kspert说：“我们在Cybathlon上展示自己的设备，并察看其他制造商的产品。”

　　墨西哥一家相关公司的总经理Jess Tamez-Duque希望Cybathlon能吸引更多合作者，并证明墨西哥也可以参与这个领域。他说：“在我们看来，Cybathlon是一个集中了世界顶尖机器人实验室的竞赛，我们仍在努力成为竞赛中的佼佼者，这样其他人就会相信我们可以带来真正的价值。”

Cybathlon将于2020年在日本东京再次举办，时间恰逢东京奥运会。届时还会增加针对视觉障碍人士的新项目，并且还会在体育场外举办一 些比赛。但对于参加第一届Cybathlon的参赛者来说，站在前沿已经很激动人心了。“这是钢铁侠，这是阿凡达，这是全世界的脑机接口（BCI）和外骨 骼的结合。“Bergeron 说。