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 CDE:抗体偶联药物首次申报临床试验药学资料撰写指导原则
本指导原则基于 ICH M4Q( R1)总体框架, 格式体例与之保持一致, 在其框架下结合抗体偶联药物的药学研究特点,细化了 IND 申报药学资料的撰写要求,旨在为该类药物 IN...
2026-04-25 21:39
资讯 蚂蚁健康向医院开放“智慧医疗AI一体化方案” 支持智能体、云陪诊、本地化模型部署
4月25日,在2026中国医院信息网络大会(CHIMA 2026)上,蚂蚁健康面向全国医院及医疗机构推出“智慧医疗AI一体化方案”。
2026-04-25 20:09
资讯 美敦力 5.5 亿美元收购 Scientia Vascular,加码神经血管赛道布局
Scientia Vascular 是专注于神经血管创新器械研发的新兴企业,核心产品管线聚焦颅内血管病变介入治疗领域
2026-04-25 15:50
资讯 聚焦预防接种全龄升级,多方合力开展“成人全周期免疫促进暨带状疱疹公益科普”
4月25日,国家疾病预防控制局在上海举办主题宣传活动,呼吁“预防接种,苗助健康,全民行动”。
2026-04-25 15:41
资讯 超亿元 A 轮融资!奥明星程以 AI4S 定义下一代生物智能基础设施
由深创投与复星医药(复健资本)联合领投,太平股权、广东中医药大健康基金、杭实集团等多家头部投资机构、产业链龙头企业及多地国资跟投。
2026-04-24 18:28
资讯 Cytiva ÄKTA与Biacore系列产品实现本地生产, 以“桐庐样本”赋能生物医药“加速度”
依托桐庐生产基地,Cytiva持续提升本土供应能力,以更短的交付周期与定制化支持,精准匹配中国研发节奏,深度践行“在中国,为中国”承诺
2026-04-24 18:13
资讯 全球首个治疗遗传性耳聋基因疗法获批
4 月 23 日,再生元宣布,美国 FDA 已经加速批准其在研基因疗法Otarmeni(lunsotogene parvec-cwha)上市,该药品成为首个也是目前唯一获批用于治疗遗传性听力损失的基因疗法。
2026-04-24 18:01
资讯 CDE:治疗用重组蛋白药物首次申报临床试验药学资料撰写指导原则
本指导原则基于 ICH M4Q( R1)总体框架, 格式体例与之保持一致, 在其框架下结合治疗用重组蛋白药物的药学研究特点,细化了 IND 申报药学资料的撰写要求,旨在为该类药...
2026-04-24 12:44
资讯 甘李药业GLP-1R博凡格鲁肽Ⅲ期临床试验完成首例受试者给药
4月23日,甘李药业发布公告,博凡格鲁肽(研发代号:GZR18)注射液正在中国开展的适应症成人肥胖患者的中度至重度阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)的Ⅲ期临床试验,于近日成功完成首例...
2026-04-24 10:25
资讯 应世生物再冲港交所 IPO:手握国内唯一 III 期 FAK 抑制剂,专攻肿瘤耐药后市场
公司战略性聚焦黏着斑激酶(FAK)及整合素通路,这些靶点对肿瘤细胞的顽强生存能力至关重要。
2026-04-23 22:00
资讯 华东医药2025年创新收入大增64.2%,2026Q1扣非净利创单季历史新高
2026年4月23日晚间,华东医药(000963 SZ)发布2025年年度报告及2026年第一季度业绩。
2026-04-23 21:45
资讯 默克与谷歌云达成一项10亿美元的AI合作
此次合作,默克期望将自身在药物研发、科学管理、市场运营等方面能力与人工智能、云平台相结合,帮助默克全球约7 5万名员工提升生产力。
2026-04-23 13:00
资讯 神经介入与神经外科植入材料等7类医用耗材分类与代码及医保通用名
近日,国家医保局发布《神经介入与神经外科植入材料等7类医用耗材分类与代码及医保通用名》公开征求意见的公告。
2026-04-23 11:29
资讯 真实生物阿兹夫定与哆希替尼联合疗法最新消息
近日,真实生物在美国癌症研究协会(AACR 2026)年会以壁报形式展示了阿兹夫定与哆希替尼联合疗法的临床前研究成果,标题为标题:Azvudine Combined with Doxitinib,a Potential Therapy for EGFRm+ NSCLC。
2026-04-23 11:07
资讯 华东医药独家商业化产品CXG87上市申请获受理,呼吸治疗赛道布局深化
华东医药股份有限公司(以下简称“华东医药”或“公司”)全资子公司华东医药(杭州)有限公司独家商业化产品CXG87(布地奈德福莫特罗吸入粉雾剂(IV)胶囊型)用于治疗哮喘的药...
2026-04-22 17:53
资讯 指南更新,巨星发声:医疗创新与公众教育双轮驱动OSA诊疗革新
日前,中国《成人阻塞性睡眠呼吸暂停诊治指南(2025)》发布,首次系统性引入药物治疗——GIP GLP-1双受体激动剂替尔泊肽获最高级别推荐,用于合并肥胖症的中至重度阻塞性睡眠...
2026-04-22 10:04





