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

艾力斯引进引进潜在全球首创ADC,切入妇科肿瘤赛道资讯

艾力斯引进引进潜在全球首创ADC,切入妇科肿瘤赛道

该药物为潜在全球首创(First-in-class)MUC16 NaPi2b 双靶点四价 ADC,主力布局卵巢癌、子宫内膜癌,标志艾力斯正式进军妇科肿瘤领域,补齐公司 ADC 大分子管线空白。

2026-08-14 16:52

百时美施贵宝首个CELMoD药物iberdomide获美国FDA加速批准资讯

百时美施贵宝首个CELMoD药物iberdomide获美国FDA加速批准

联合达雷妥尤单抗皮下注射液和地塞米松(IberDd),用于治疗既往接受过至少一线治疗(包括一种蛋白酶体抑制剂和一种免疫调节剂)的多发性骨髓瘤成人患者

2026-08-14 16:23

1/33,凯莱英成唯一一只入选医药股资讯

1/33,凯莱英成唯一一只入选医药股

8 月 12 日,全球头部指数编制服务商 MSCI 发布 2026 年 8 月指数审议结果,完成本年度第三次季度指数调整。

2026-08-14 16:12

全球首创三靶点激动剂DR10624入选国家科技重大专项资讯

全球首创三靶点激动剂DR10624入选国家科技重大专项

华东医药股份有限公司控股子公司浙江道尔生物科技有限公司自主研发的全球首创(First-in-class)长效三靶点激动剂DR10624成功入选并获得国家科技重大专项资助

2026-08-13 16:17

第107批仿制药参比制剂目录资讯

第107批仿制药参比制剂目录

经国家药品监督管理局仿制药质量和疗效一致性评价专家委员会审核确定,现发布仿制药参比制剂目录(第一百零七批)。

2026-08-12 21:29

宝莱特虽控制权变更终止,但实控人已股权套现1.75亿元资讯

宝莱特虽控制权变更终止,但实控人已股权套现1.75亿元

8 月 9 日晚间,创业板上市公司宝莱特发布公告宣布终止筹划控制权变更事项。这距离公司因控股股东筹划控制权变动而停牌,仅仅过去 9 个交易日。

2026-08-12 21:26

百济神州注射用塔拉妥单抗开出首批处方资讯

百济神州注射用塔拉妥单抗开出首批处方

8月10日,由百济神州与安进公司共同负责在中国(不含港澳台地区)开发和商业化的安泰适(注射用塔拉妥单抗)正式投入临床应用。

2026-08-12 19:25

好大夫医生版升级为阿福医生版,全球范围率先实现医患双端布局和深度联动资讯

好大夫医生版升级为阿福医生版,全球范围率先实现医患双端布局和深度联动

8月12日,蚂蚁集团旗下医生应用“好大夫医生版”正式升级为“蚂蚁阿福医生版”,为全国数百万医生配备医学和AI分身两大AI助手,支持医生借助AI一站式高效完成患者管理、科研检索...

2026-08-12 19:08

FDA批准首款mRNA流感疫苗资讯

FDA批准首款mRNA流感疫苗

近日,美国美国食品药品监督管理局(FDA)批准了莫德纳的流感疫苗mFLUSIVA,用于50岁及以上人群。该公司表示,这是全球首款获批用于季节性流感预防的mRNA疫苗。

2026-08-10 11:28

联影 东软最新MR中标价格资讯

联影 东软最新MR中标价格

近日,中国政府采购网发布《福建省2025-2026年度MR医用设备集采结果公告(采购包1、2、3)》。本次采购标的为医用磁共振设备,共计32台,预算金额为3 1亿元,最终东软和联影中标。

2026-08-10 10:44

全国首票进境动物源性生物材料跨省联合监管业务落地资讯

全国首票进境动物源性生物材料跨省联合监管业务落地

8月4日,一辆专用冷链运输车从一家生物医药公司上海基地驶向无锡。车上装载的是一批从海外进口,经上海外高桥保税区海关检疫合格,并在上海基地完成检测分库的中国仓鼠卵巢细胞...

2026-08-10 10:13

药明康德披露反对1260H名单认定的最新进展信息资讯

药明康德披露反对1260H名单认定的最新进展信息

8月9日,药明康德发布自愿性公告,就美国法院关于公司的初步禁令动议作出裁决的相关消息进项了披露。

2026-08-09 22:11

华东医药全球首款非动物源壳聚糖医美产品欧盟获批上市资讯

华东医药全球首款非动物源壳聚糖医美产品欧盟获批上市

Kytogen® Defend是全球首款且目前唯一一款创新型非动物源性壳聚糖医美注射产品

2026-08-09 20:30

恒瑞医药双靶点GLP-1/GIP瑞普泊肽注射液中国T2DM口服药控制不佳人群Ⅲ期研究取得积极顶线结果资讯

恒瑞医药双靶点GLP-1/GIP瑞普泊肽注射液中国T2DM口服药控制不佳人群Ⅲ期研究取得积极顶线结果

近日,恒瑞医药宣布,GLP-1 GIP双重受体激动剂瑞普泊肽(HRS9531,大中华区外称KAI-9531)注射液治疗经二甲双胍单药或联合SGLT2抑制剂治疗后血糖控制不佳成人2型糖尿病患者的中...

2026-08-07 17:23

韩宇药业提交了替尔泊肽的国内首仿上市申请资讯

韩宇药业提交了替尔泊肽的国内首仿上市申请

据国家药审中心官网显示,8月6日,翰宇药业申报的替尔泊肽注射液上市申请获得受理,注册分类为4类(境内外均已上市的药品的仿制药)。从目前公开信息看,这是国内首个替尔泊肽注...

2026-08-07 16:35

礼来半年报业绩大增,二次上调全年业绩指引资讯

礼来半年报业绩大增,二次上调全年业绩指引

8月5日,礼来公布了2026年上半年业绩——总营收427 73亿美元,同比增长49%。其中,第二季度营收229 74亿美元,同比大增48%。此前,礼来第一季度实现营收197 99亿美元,同比增...

2026-08-07 15:57

全球首款 mRNA 季节性流感疫苗诞生!Moderna mFLUSIVA 获 FDA 批准资讯

全球首款 mRNA 季节性流感疫苗诞生!Moderna mFLUSIVA 获 FDA 批准

美国食品药品监督管理局(FDA)正式批准 Moderna 研发的 mRNA 季节性流感疫苗mFLUSIVA(mRNA-1010)上市,用于 50 岁及以上成人预防季节性流感

2026-08-07 13:07

第12批国采中选品种供应清单资讯

第12批国采中选品种供应清单

中选品种供应清单。

2026-08-07 10:37

荣昌生物2026年半年度业绩资讯

荣昌生物2026年半年度业绩

根据预告,荣昌生物预计 2026 年半年度实现营业收入约 58 5亿元,与上年同期相比,将增加收入约 47 52亿元,同比增加约 433%。预计 2026 年半年度实现归属于母公司所有...

2026-08-06 21:31

守好“健康主场” 打好“免疫保卫战”:申城“全民健康大讲堂”聚焦“三高一疹”协同防控资讯

守好“健康主场” 打好“免疫保卫战”:申城“全民健康大讲堂”聚焦“三高一疹”协同防控

《疾病预防控制“十五五”规划》倡导推行疫苗处方政策,筑牢慢病患者免疫防线

2026-08-06 18:35