外骨骼系统的原理、发展和研究方向

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