外骨骼系统的原理、发展和研究方向

医疗器械 来源:医疗器械创新网
2014
09/25
14:30
医疗器械创新网 医疗器械

医谷编者按:上周,医谷发布了一篇《机甲战士不是梦:Rewalk、EKSO、CyberDyne HAL三家外骨骼机器人深度比较》,可以预见,以外骨骼为基础机器人未来会有巨大的发展空间,不过其原理和未来研究方向具体如何?我们来看看这篇文章。

外骨骼系统的原理

外骨骼系统通过患者大脑意识活动性进行控制,大脑活动性由放置在患者大脑皮层上的电极探测到。信号将无线传输至使用者携带的计算机系统上,再转换成机械动作。传感器结合机械外骨骼结构,能够将触觉、温度和力量信息反馈至使用者。

要读取大脑中的指令,需要把电极直接植入瘫痪患者的大脑中。在放置电极时,不仅要把电极植入颅骨下的脑组织内,而且还要能同时探测大脑皮层上的更多神经元。运动皮层是大脑内负责产生运动指令的区域,它发出的指令通常会传递到脊髓,控制和协调肌肉活动,因此很多电极都会植入运动皮层。要处理来自传感器的海量数据,还要为瘫痪患者专门研制新一代神经芯片。这些芯片与微电极一同植入患者大脑后,它们就可以提取出控制全身外骨骼所需要的初始运动指令。在数字指令的驱动下,穿着外骨骼的患者会逐渐迈开步子,调节自身行进的速度,甚至可以屈膝、弯腰、爬楼梯。

外骨骼系统的发展

外骨骼(Exoskeleton)的最初概念来源于生物学,是指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构,比如昆虫身上能够起到帮助行动以及保护身体不受伤害作用的外骨骼。人类受此启发便开始了机械外骨骼技术的仿生研究。通过能源装置提供外动力,机械传动系统及控制测试系统,保证人体各种动作于机械之间的协调性。外骨骼系统将机械和人体实现完美的融合,从而帮助人体完成各种动作和提升效率。

外骨骼系统的最早研究始于20 世纪60 年代。最早的人体外骨骼助力系统是1966年GE研制的Hardman助力机器人。2000年,美国五角大楼高级研究计划署投资数千万美元开始为期7年的机械外骨骼的研究计划(EHPA)。2002年,第一件具有划时代意义的机械外骨骼衣(XOS)诞生。2004年,日本机器人专家山本嘉之教授推出他的全身机器外骨骼HAL-5,HAL-5没有采用传统的液压式传动系统,而是将感应器附着到使用者上,实现微小肌肉信号的检测,从而使机械能够学习使用者的自然姿态。2010年,美国研制出比XOS1性能更加完善、更加轻便和强壮的XOS2。同年,新西兰一家公司发明了全球首对仿生机械腿“REX”,安装在下身瘫痪者的腿上,能支撑身体,帮助他们重新站起来。借助它使用者可以轻松地站立、行走,甚至上下楼梯。这种装置重量为38公斤,由一个轻便充电池提供动力,充电一次可全天使用。今年9月12日,以色列外骨骼系统提供商ReWalk Robotics公司美国纳斯达克成功上市。ReWalk Robotics公司旗下共有两款产品,分别是ReWalk 个人版和ReWalk 康复版;前者主要适合家庭和工作环境使用,后者则是用于临床修复。公司旗下的Rewalk个人版2012年底拿到欧盟CE认证,2014年6月通过FDA认证,从而成为是第一款通过FDA认证的个人使用产品。

外骨骼系统的研究方向

虽然外骨骼系统方面的研究取得了很大的进展,然而现实中还有许多问题需要解决。目前外骨骼系统主要通过采集肌电信号和力反馈的方法来获取穿戴者的运动意图,肌电信号采集的方法有很严格的外界环境限制,一旦信号采集的地方发生微小的变化(如流汗等)就会干扰信号的采集;而力反馈法具有本质上的滞后性,当穿戴者做出快速的运动或者高难度的动作时就会有阻碍感。另外,外骨骼主要通过捆绑的方式与穿戴者连接在一起,捆绑处因肌肉的收缩、伸展产生的形状变形会很大程度上影响外骨骼的定位精度。

外骨骼系统是一个复杂的人机耦合的一体化系统,对于其控制系统研究是重中之重。关于控制系统的研究,目前有两个大的方向,即外骨骼系统内控制以及基于网络技术的远程控制系统。另外,就是关于材料即人造肌肉纤维的研究。利用电压变化使人造纤维收缩或伸张来产生力量来取代目前通用的液压驱动系统,从而解决液体渗漏和人机间的磨合期问题。 而早在1999年8月,德国、美国、澳大利亚和意大利同行合作研制出人造肌肉纤维,这种人造肌肉纤维不仅能适用于人类的移植和修复手术,还可以作为机器人的运动构件,或者作为高灵敏度传感器的材料。2008年,美国加州大学洛杉矶分校的研究人员制造出了一种人造肌肉,它能够自我愈合并能够储存电能。可以预见,人造肌肉将会出现在新一代的外骨骼系统上,通过人类意识控制人造肌肉的收缩和舒张来达到人体与机器之间的协调。

来源:医疗器械创新网

为你推荐

圣因生物完成超 1.1 亿美元 B 轮融资,加速 RNAi 疗法全球布局资讯

圣因生物完成超 1.1 亿美元 B 轮融资,加速 RNAi 疗法全球布局

本轮融资由知名产业机构领投,国际主权基金、中国生物制药、君联资本等十余家机构跟投,全球制药巨头礼来公司战略入局,高瓴创投、启明创投等现有股东持续加码支持,融资规模创...

2025-12-12 16:59

操纵自家股票还亏损,金城医药董事长被处罚资讯

操纵自家股票还亏损,金城医药董事长被处罚

2025 年12 月10日,公司收到实际控制人赵叶青先生的通知,其收到中国证监会《行政处罚决定书》。

2025-12-12 11:40

又一款抗流感药物获批资讯

又一款抗流感药物获批

12月11日晚间,健康元发布公告称,公司研发的玛帕西沙韦胶囊收到国家药品监督管理局核准签发的《药品注册证书》。

2025-12-12 10:41

投后估值达21.37亿元,实体瘤细胞治疗领军企业君赛生物递表港交所资讯

投后估值达21.37亿元,实体瘤细胞治疗领军企业君赛生物递表港交所

君赛生物共有5款在研产品,其中核心产品也是进展最快的是GC101,正开展上市前的关键II期临床试验,有望成为国内首个获批上市的TIL细胞创新药

2025-12-12 09:24

ESMO-IO | ORR达41.7%!君赛生物GC101 TIL治疗晚期后线非小细胞肺癌I期数据首次公布资讯

ESMO-IO | ORR达41.7%!君赛生物GC101 TIL治疗晚期后线非小细胞肺癌I期数据首次公布

这不仅是全球首个无需高强度清淋化疗、无需IL-2给药的TIL疗法治疗肺癌的临床研究,也是国内首个公开披露该领域数据的注册性临床研究。

2025-12-12 09:17

君合盟生物启动重组 A 型肉毒毒素治疗成人上肢痉挛状态临床 III 期试验,并完成首例患者入组资讯

君合盟生物启动重组 A 型肉毒毒素治疗成人上肢痉挛状态临床 III 期试验,并完成首例患者入组

该临床试验由复旦大学附属华山医院李放教授和上海市养志康复医院(即上海市阳光康复中心)靳令经教授联合牵头

2025-12-11 21:06

Medidata发布全新调研报告:临床试验AI应用价值凸显,超七成用户反馈“达到或超预期”资讯

Medidata发布全新调研报告:临床试验AI应用价值凸显,超七成用户反馈“达到或超预期”

基于对来自全球制药公司、生物科技公司及合同研究组织(CRO)中超200位核心决策者的深度调研,报告显示,目前AI在改善患者招募、优化数据管理、控制运营成本和提升试验效率等方...

2025-12-11 20:57

近20年首个全新类别抗菌药物醋酸来法莫林纳入医保,开启中国成人社区获得性肺炎治疗普惠新篇章资讯

近20年首个全新类别抗菌药物醋酸来法莫林纳入医保,开启中国成人社区获得性肺炎治疗普惠新篇章

该产品继2025年6月30日获得国家药品监督管理局批准用于治疗成人社区获得性肺炎(CAP)后又纳入国家医保目录

2025-12-11 20:50

国家药监局同意吉林、海南开展优化药品补充申请审评审批程序改革试点资讯

国家药监局同意吉林、海南开展优化药品补充申请审评审批程序改革试点

同意你们开展优化药品补充申请审评审批程序改革试点。

2025-12-11 11:04

国家药监局发布第三批调出参比制剂目录品种资讯

国家药监局发布第三批调出参比制剂目录品种

第三批调出参比制剂目录品种清单。

2025-12-11 11:00

全球首发!中国率先批准博优维®(那米司特)用于治疗进展性肺纤维化资讯

全球首发!中国率先批准博优维®(那米司特)用于治疗进展性肺纤维化

继近期在美国和中国获批用于治疗特发性肺纤维化(IPF)之后,PPF是那米司特获批的第二个适应症

2025-12-10 19:07

专注 “生物学 + AI” ,普瑞基准完成超亿元 D 轮融资,加速 AI 驱动新药研发资讯

专注 “生物学 + AI” ,普瑞基准完成超亿元 D 轮融资,加速 AI 驱动新药研发

本轮融资由信立泰、广投资本、申宏中恒基金联合领投,老股东金谷汇枫、聚翊投资持续跟投

2025-12-10 15:55

迈斯拓扑完成近亿元天使轮融资,加速新型医用同位素国产化资讯

迈斯拓扑完成近亿元天使轮融资,加速新型医用同位素国产化

本轮融资由中科创星领投,曙日辰星、正景资本跟投,指数资本担任独家财务顾问。

2025-12-10 11:18

别把“嗜睡”当懒癌!新型促觉醒药翼朗清®获批,专注维持日间清醒资讯

别把“嗜睡”当懒癌!新型促觉醒药翼朗清®获批,专注维持日间清醒

促觉醒药物翼朗清®(盐酸索安非托片)正式获得中国国家药品监督管理局(NMPA)批准,用于改善阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)伴有日间过度嗜睡(EDS)的成人患者的觉醒程度。

2025-12-10 11:04

复星医药将其GLP-1产品全球化权益授权辉瑞,总里程碑付款近150亿人民币资讯

复星医药将其GLP-1产品全球化权益授权辉瑞,总里程碑付款近150亿人民币

12月9日晚间,复星医药发布公告称,公司控股子公司药友制药、复星医药产业与辉瑞共同签订《许可协议》,(其中主要包括)由药友制药就口服小分子胰高血糖素样肽-1受体(GLP-1R)...

2025-12-10 09:12

从中国到全球:玛伐凯泰以国内外充分循证夯实临床使用基础资讯

从中国到全球:玛伐凯泰以国内外充分循证夯实临床使用基础

2024年,玛伐凯泰在中国获批上市并迅速纳入国家医保目录,为中国梗阻性HCM患者带来了全新希望。

2025-12-09 17:18

奕检健康完成数千万元 A + 轮融资,加码精准医学布局资讯

奕检健康完成数千万元 A + 轮融资,加码精准医学布局

本轮融资由国内知名投资机构财通资本领投

2025-12-09 17:16

Capricor Therapeutics公司宣布外泌体疗法Deramiocel在DMD三期中取得积极成果资讯

Capricor Therapeutics公司宣布外泌体疗法Deramiocel在DMD三期中取得积极成果

近日,专注与外泌体疗法的Capricor Therapeutics(纳斯达克代码:CAPR)公司宣布其核心管线Deramiocel在杜氏肌营养不良症关键三期 HOPE-3 研究中取得积极成果。

2025-12-09 16:38

2024医药电商销售品类分部情况资讯

2024医药电商销售品类分部情况

2024 年医药电商直报企业销售总额 2488亿元(含第三方交易服务平台交易额),占同期七大类医药商品销售总额 8 4%。

2025-12-09 10:51

中药1类创新药剑指抑郁症治疗蓝海,远大医药GPN01360成功达到国内II期临床终点资讯

中药1类创新药剑指抑郁症治疗蓝海,远大医药GPN01360成功达到国内II期临床终点

国产抗抑郁症药物研发取得重大进展。近日,远大医药(0512 HK)的1 1类中药创新药GPN01360国内II期临床研究成功达到临床终点,产品表现出显

2025-12-08 18:27