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
资讯 美国NCI与FNIH计划联合推动国家级治疗性癌症疫苗支持计划
这项名为治疗性癌症疫苗计划(Therapeutic Cancer Vaccines Initiative,TCVI)的公私合作项目,由美国国家癌症研究所(NCI)与美国国立卫生研究院基金会(FNIH)共同推动,...
2026-10-12 11:52
资讯 礼来公布依奇珠单抗与替尔泊肽合并用药TOGETHER-PsO 3b期研究新数据
2026年秋季临床皮肤病学会议公布的探索性数据显示,在同类首个的TOGETHER-PsO研究中,与单独使用依奇珠单抗相比,依奇珠单抗与替尔泊肽合并用药,最快在第12周即可观察到更广泛...
2026-10-12 11:16
资讯 翰森制药阿美替尼获批上市7个月后又被欧盟撤销批准
近日,翰森制药发布公告,欧盟委员会(EC)宣布撤销甲磺酸阿美替尼片在欧盟的上市许可,而该产品此前已于2026年2月12日获得欧盟委员会批准上市,距此次撤销仅过去7个月。
2026-10-11 21:51
资讯 三迭纪与强生达成战略合作,强生入股
近日3D打印药物研发公司三迭纪(南京)医药科技股份有限公司及其全资子公司三迭纪(上海)医药科技有限公司已与强生(Johnson & Johnson)签署合作与许可协议。
2026-10-10 13:21
资讯 盟科药业与瑞士生物医药公司ClearideBio达成ADC合作授权
前者涉及MRX-23项目的全球独占许可;后者系基于公司自主开发的全新喜树碱载荷的“STOPIN”抗体偶联药物平台的多项目选择权合作,ClearideBio可按协议约定就约定数量的靶点或靶点...
2026-10-10 09:24
资讯 2026 EADV |礼来公布lebrikizumab ADtouch 3b期研究结果
数据显示,lebrikizumab可显著、快速改善中重度特应性手足皮炎患者的皮损清除程度、瘙痒、疼痛及患者满意度
2026-10-09 19:03
资讯 中药品种保护期内不受理其同名同方药注册申请,国家药监局加强中药品种保护工作
省(自治区、直辖市)药品监督管理部门(以下简称省级药监局)收到受理通知书和申报资料后,应当组织对中药品种保护申报资料的上市后临床、药学研究和药理、毒理资料的真实性进...
2026-10-09 17:45
资讯 优赫得在中国获批用于HER2阳性早期乳腺癌患者新辅助治疗后仍残存侵袭性病灶的辅助治疗
10月8日, 第一三共宣布,优赫得(德曲妥珠单抗)新适应症在中国获批,适用于接受了紫杉烷类联合曲妥珠单抗为基础的新辅助治疗后仍残存侵袭性病灶的HER2阳性早期成人乳腺癌患...
2026-10-09 16:55
资讯 心理健康平台好心情完成新一轮融资2.62亿元
近日,恩华药业发布公告披露,其参股公司Good Mood Holdings Limited完成新一轮融资2 62亿元,配发股份数量777 4744万股,公司放弃优先认缴权,持股比例由19 0960%降至18 0454%,仍为第一大股东。
2026-10-09 13:36
资讯 国际SOS发布白皮书《病假缺勤的隐性成本》
心理健康相关问题是其中值得企业重点关注的领域之一。白皮书援引世界卫生组织(WHO)数据指出,抑郁和焦虑每年导致全球约120亿个工作日损失,带来约1万亿美元的生产力损失。
2026-10-09 11:52
资讯 达卓优在华获批用于不适合接受PD-1/PD-L1抑制剂治疗的转移性三阴性乳腺癌
基于TROPION-Breast02 III期研究结果,在该治疗场景中,达卓优®与化疗相比延长了总生存期(OS),达到近两年中位OS
2026-10-08 17:30
资讯 翰宇药业GLP-1R/GIPR/GCGR三靶点受体激动剂临床试验申请获FDA受理
10月8日,翰宇药业发布公告称,近日收到美国食品药品监督管理局(FDA)下发的关于HY3003注射液的临床试验申请受理通知。
2026-10-08 17:07
资讯 辉瑞启动了一项GLP-1减重月制剂的III期临床试验
Berobenatide 最初由 Metsera 公司开发,辉瑞在 2025 年底以约 100 亿美元收购 Metsera,将这款超长效 GLP-1 候选药物收入管线。药代动力学数据显示,Berobenatide ...
2026-10-08 13:17
资讯 艾博生物与诺华就mRNA药物达成78亿美元授权合作
根据协议,诺华将预付5 75亿美元,获得艾博生物旗下实验性药物ABO2203的独家授权,并拥有对艾博生物RNA技术平台其他潜在项目的选择权。若后续开发顺利推进并获得监管批准,艾博...
2026-10-08 11:03
资讯 金赛药业取得醋酸甲地孕酮口服混悬液除匈牙利以外的全球权利
10月7日晚间,长春高新发布公告,控股子公司——长春金赛药业有限责任公司的全资子公司GENSCI Singapore Pte Ltd 与TWiPharmaceuticals, Inc (中文名为保盛药业股份有...
2026-10-08 09:18






