MIT 出身,BiOM 生化義肢讓截肢舞者上 TED 跳倫巴舞

作者 | 發布日期 2014 年 04 月 22 日 17:00 | 分類 尖端科技 , 機器人 , 生物科技
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2013 年 4 月 15 日,美國麻州首府,也是歷史名城波士頓,正值美東時間下午 2 點 50 分,天氣晴朗,在科普里廣場上,一場馬拉松的許多參賽者正跑向終點,此時賓拉登已經伏法將近 2 年,也沒有任何恐怖組織對美國發出挑釁或威脅,眾人絲毫不認為會發生什麼意外,開開心心的,觀賽的人加油著,參賽者努力跑向終點,突然間,兩枚炸彈分別在終點線附近觀眾區,與一家體育用品店先後爆炸。



這就是日後我們稱之為波士頓馬拉松爆炸案的慘劇,造成多人死傷,更造成大量的截肢傷患,是一場人間悲劇。但為了幫助這些傷者,美國的科技能量也動員了起來,其中,就包括生化義肢技術的領導者 BiOM。

BiOM 成立於 2007 年,來自著名的麻省理工學院(MIT),創辦人休‧賀(Hugh Herr)教授也有個背景故事,原來他本人就是個雙腿截肢者。他熱愛攀岩,1982 年,在一次攀岩意外中,失去了雙腿,當時他還年輕,但他發現,穿上義肢之後,他竟然還是能回到山上,繼續攀岩,而且可以根據地形不同,更換不同義肢,譬如腳部尖細,可以插進岩縫的義肢,或是腳部直接是雪釘的義肢,有時比真的腳還好用。他自身經歷,讓他對義肢有了全新思考,他認為不是人有殘障,是科技殘障,過去身體殘缺就被視為殘障,是因為科技落伍,只要科技進步可以讓所有缺手斷腿的人,都能回到正常生活。

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抱持這項信念,他在 MIT 鑽研生化義肢科技,2004 年,他的團隊所開發的生化膝蓋入選《時代雜誌》當年評選的十大發明,2007 年團隊開發的人工踝關節再度入選《時代雜誌》當年評選十大發明,創辦了 BiOM 之後,2011 年,他被《時代雜誌》譽為是「生化義肢的領導者」。

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過去的義肢多為被動式,也就是說主要是靠身體還留存的其他部位肌肉的力量,利用身體動作去牽動義肢移動,這樣的義肢使用起來相當費力,也不可能做出太精細的動作。BiOM 所開發的生化義肢,則不僅本身有動力,還有感測器與運算晶片,更有電極與殘肢連結,測量肌肉電位,盡量模擬真實肢體的人體工學、移動方式,與控制性。

波士頓爆炸案之後,休‧賀同為截肢者,前往探視截肢的傷患,當他聽到一名舞者雅德黎安(Adrianne Haslet-Davis)因爆炸案截去一隻小腿,可能從此無法再跳舞,他非常難過,接著又想到,自己就是義肢專家,公司有資源、有技術,何不投入研究,看能不能讓雅德黎安重返舞台?

2010 年起,BiOM 所開發的人工小腿系統,已經幫助了 900 位截肢傷患,其中有 400 人是戰傷退伍老兵,這套系統會感應人體的動作與地面狀況,自動調整踝關節輸出的力道,就跟真正的人類腳踝與小腿肌肉的作用一樣,也還會感應大腿肌肉的緊張程度,如果使用者大腿用力想跑步,人工小腿系統就會感應到,而加強輸出力道,如此一來,穿著人工小腿系統的使用者甚至還能跑步,在崎嶇的碎石山坡上也如履平地。

2013 年 7 月,BiOM 推出第二代的 BiOM T2 系統,休‧賀就打算用這套系統來幫助雅德黎安回到舞台,不過要跳舞可不比只是跑步,於是公司特別組織一個任務團隊,研究舞者所需的所有動作,在 200 天的辛苦開發後,最後的成果,是當休‧賀於 2014 年 3 月在 TED 上演講時,最後的壓軸,就是請雅德黎安來一曲倫巴舞,贏得全場觀眾的掌聲,更讓雅德黎安激動落淚。

TED 上的這曲舞,讓 BiOM 之後平均每天都接到 100 封以上的詢問電子郵件。

不過 BiOM 的目標並不只是讓截肢者能跑能跳舞,還有更長期的健康目的,更甚至能幫助四肢健全的人。

BiOM 之所以要開發具有主動動力的生化義肢,目標之一是要預防退化性關節炎,過去使用被動式義肢的截肢者,因為義肢無法根據身體動作的需要作出回應,因此動作十分費力,造成骨骼關節的負擔,久而久之,關節受損,發生退化性關節炎。

不只截肢者,一般人也一樣會發生退化性關節炎,老年人隨著年齡增加,肌力逐漸喪失,於是相對的,關節承受的負擔也相對越來越大,最後發生退化性關節炎,或是發生下背痛,退化性關節炎是老人臥床無法走動的頭號原因,而老人一旦臥床不動,往往很快會健康狀況惡化,因各種併發症過世。

生化義肢技術既然可以幫助截肢者,預防他們發生退化性關節炎,自然也能應用在四肢健全的人身上,BiOM 計畫以相同的感測器與軟硬體技術製作動力外骨骼系統,未來當年老體衰,穿上動力外骨骼系統一樣健步如飛,但方便是一回事,更重要的是有了外部支撐,關節承受的壓力與不穩定性帶來的負擔減輕,就不容易得到退化性關節炎。

否則,當膝蓋壞掉了,就也只好求助 BiOM 的人工膝關節。人工膝關節其實是團隊最早的產品,關節內部有許多浮於油中的鐵粒,外部則以磁場控制鐵粒,當站直時就鎖住膝關節,要行走時就鬆開膝關節,此技術後來授權給冰島公司 Ossur,但合作不甚愉快,後來休‧賀教授在 2006 年自己推出了 iWalk 人工膝關節,如今安裝在數千名患者身上。

應用在踝關節上,雖然技術不同,但這個放鬆與鎖住的原理是相同的。當踏下一步,腳跟著地時,人工踝關節的僵硬度提高,吸收踏步的能量並提供向前的推力,而當要提腳時,人工踝關節不僅釋放方才吸收的力道,還因應地面狀況,額外施力,就像平常腳部的動作,提供額外的推進力。

休‧賀教授表示,穿著生化義肢,跟穿傳統被動式義肢,其中的差異,就好像前者是走在機場的平面輸送帶上,十分省力,後者則是相較之下有如自己耗力走路。

BiOM 與在 MIT 的團隊,最終目標則是「物我合一」,讓生化義肢感覺起來就跟真的手腳沒有兩樣,有如電影《星際大戰》中路克(Luke Skywalker)的義手。要達成這個目標,團隊研究把斷肢上殘留的神經,一一細分出來,感應運動神經的電位變化,傳送到各處的主動動力源,另一方面,則將感測器的資料傳達給殘留的感覺神經,這樣一來,生化義肢將能隨心所欲的運動,還能有感覺,跟真的腿沒有兩樣。

若真能實現,將造福相當多的肢障人士,包括美國的許多在阿富汗遇上地雷的士兵,當然,BiOM 也因此得到美國退輔會(Department of Veterans Affairs)、美國陸軍遠距醫療與先進科技研究中心(Telemedicine and Advanced Technology Research Center ;TATRC)的投資,加上其他風險創投,總投資規模約 5,000 萬美元。

 

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