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

《NPJ digital medicine》刊发李冬梅教授团队成果:AI赋能高效识别眼睑肿物
亚太眼整形外科学会主席、中华医学会眼科分会眼整形眼眶病学组副组长李冬梅教授团队携手爱尔数字眼科研究所,在《NPJ digital medicine》(影响因子:12 4)学术期刊发表团队...
文/李林 2025-04-02 10:27

默克全球执行副总裁周虹:合作与创新是默克未来五年战略的两大关键词
近日,德国默克医药健康全球执行副总裁、中国及国际市场负责人周虹带领医药健康中国及国际市场管理团队开启了2025年度首次“中国行”。
2025-04-01 17:11

首个且唯一,阿斯利康PD-L1单抗获FDA批准治疗肌层浸润性膀胱癌
度伐利尤单抗联合吉西他滨和顺铂作为新辅助治疗,随后度伐利尤单抗作为根治性膀胱切除术后的辅助单药治疗,用于治疗肌层浸润性膀胱癌成年患者。
2025-04-01 14:37

全国首个,湖北为脑机接口医疗服务定价
昨日(3月31日),据“湖北发布”消息,湖北省医保局发布全国首个脑机接口医疗服务价格,其中,侵入式脑机接口置入费6552元 次,侵入式脑机接口取出费3139元 次,非侵入式脑机...
2025-04-01 11:03

一款国产创新流感药,获批
近日,据国家药监局官网信息显示,青峰医药下属子公司江西科睿药自主研发的1类创新药玛舒拉沙韦片(商品名:伊速达)正式获批上市,用于既往健康的12岁及以上青少年和成人单纯性...
2025-04-01 10:22

26省联盟药品集采启动,聚焦妇科用药和造影剂
近日,山西省药械集中招标采购中心发布《关于做好二十六省联盟药品集中带量采购品种数据填报工作的通知》,开展相关采购数据填报工作。
2025-03-31 21:48

优时比罗泽利昔珠单抗注射液(优迪革)中国获批,全球首个且唯一双亚型创新药治疗全身型重症肌无力
作为唯一人源化、高亲和力且具备创新修饰结构的IgG4单抗,关键Ⅲ期MycarinG试验证实罗泽利昔珠单抗注射液(优迪革®)较安慰剂显著改善全身型重症肌无力患者的多个临床终点与结局。
2025-03-31 15:58

从手术麻醉到生命全周期护航,麻醉学科发展拓宽生命边界
3月26日,由中华医学会麻醉学分会、中国医师协会麻醉学医师分会等23家学协会共同举办的2025年中国麻醉周学术活动的启动仪式举办,该活动以“生命之重,大医精诚——守生命保驾护...
2025-03-31 15:30

欧狄沃联合逸沃成为中国目前唯一获批的肝细胞癌一线双免疫联合疗法
欧狄沃联合逸沃对比仑伐替尼或索拉非尼,可显著改善不可切除肝细胞癌一线患者的总生存期(OS),客观缓解率(ORR)可改善近3倍,中位缓解持续时间(mDOR)达30个月
2025-03-31 13:45

罗氏制药榜首 “现金牛” 产品罗可适(奥瑞利珠单抗)在华获批:开启多发性硬化症一年两次治疗新时代
罗氏制药今日(3月31日)宣布,其旗下创新药罗可适®(Ocrevus®,通用名:奥瑞利珠单抗注射液 ocrelizumab injection)正式获得中国国家药品监督管理局批准,每六个月静脉输...
2025-03-31 13:39

三生有幸,医者仁心:三生制药向全体医药工作者致敬!
3月30日是国际医师节,由三生制药公益支持的以“三生有幸,医者仁心”为主题的公益活动,携手20位医生代表,以寄语海报的形式,共同向全体医护人员表达诚挚的祝福与关爱。
2025-03-30 17:38

新版药典自2025年10月1日起实施
3月25日,国家药监局官网发布《国家药监局 国家卫生健康委关于颁布2025年版的公告(2025年第29号)》,2025年版《中国药典》自2025年10月1日起施行。
2025-03-30 17:07

向C端发力,华大集团首届健康同行合作伙伴大会圆满举行
3月29日,以“科技普惠,健康生活”为主题的华大集团首届健康同行合作伙伴大会在华大时空中心成功举办,通过报告演示、展台展示等方式,首次系统性地向外界展示运用生命科学前沿...
2025-03-30 10:38

广州试点创新药械“医保+商保”同步结算
本次试点依托国家医保信息平台,在22家试点医院实现医保+商保一站式同步结算,通过提供“商业保险创新药械结算清单”,商保理赔金额将一目了然,市民只需支付医保和商保报销后的...
2025-03-28 18:41