哈佛柔性動力服誕生始末:教授放棄機械動力服,只為讓中風患者重新行走

作者 | 發布日期 2016 年 12 月 04 日 12:00 | 分類 機器人 , 穿戴式裝置 , 醫療科技 follow us in feedly

普通人一定想像不出哈佛工程師 Conor Walsh 的實驗室是什麼樣子。這裡既沒有離心機,沒有通風櫃,也沒有成排的試管──而是掛滿了各式各樣的衣服。



在實驗室的一頭,站立著一組穿著 T 恤和運動褲的假人模特。它們背後擺放著一排排的運動服和跑步鞋。在另一面牆的架子上,短褲和褲襪被仔細的疊好,並且細心地標註著尺碼。在衛報記者 Robin McKie 的一次訪問中,他看到一個學生在給一條短褲縫補丁。

如果這家實驗室出現在商業街上,你會把它當做是某高階訂製運動品牌的門店。但這不是耐吉的實驗室。這是哈佛大學生物設計研究所,它進行著一項會顛覆現有軟體機器人技術的專案。該專案還計劃改變中風患者的命運──幫助他們行走。

Conor Walsh 教授是該實驗室的負責人,他說:「簡單來說,我們在做能提供動力的衣服,幫助移動能力受限的病人重新動起來。這些『衣服』能幫他們抬起腳並且重新行走。這是動力服領域的終極課題。」

雷鋒網配圖

▲ Conor Walsh(左)和同事。

由於他的傑出研究, 35 歲的 Conor Walsh 在上星期洛杉磯的一場典禮上被授予勞力士雄才偉略大獎( Rolex award for enterprise)。他計劃把獲得的 10 萬瑞郎 (約台幣 317 萬 2,000 元)獎金用於軟體機器人技術的研發上,以開發能幫助士兵和體力工作者搬運重物的柔性動力服。他還計劃把研究成果應用到其他醫療領域,幫助帕金森氏症和腦性麻痺患者,以及遭受其他病症而行動力受限的人。

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▲ 哈佛大學之前開發的、能幫助士兵搬運重物的柔性動力服系統。

Conor Walsh 放棄機械動力服,轉而研究柔性動力服

Walsh 是都柏林三一學院生產製造和機械工程專業的研究生。在學生時代,當他聽說美國研發的機械動力服是如何幫助人搬運重物,他開始著迷於機器人技術。簡單地說,機械動力服是一個硬的、像機器人一樣的外殼。它能把使用者裝在裡面並且帶著他行走。想像一下《鋼鐵人》裡面 Robert Downey Jr 穿的金屬盔甲,還有電影《異形》裡 Sigourney Weaver 大戰異形時駕駛的機械骨架。

Walsh 認為這些看起來太酷了,所以他申請到 MIT 生物力學專家 Hugh Herr 那裡做博士研究。但是,當 Walsh 接觸剛性機械動力服,他發現它們的使用體驗很不好。

「穿著它們就像困在一副機器人盔甲裡面,很硬、很不舒服、很笨拙費勁,這副盔甲有時還不能像人那樣移動。」

所以當 Walsh 搬到哈佛,設立了生物設計研究所之後,他決定採用另一條路線。他表示:

「我當時立刻意識到,如果有一副柔性動力服向你指出正確的移動方式,穿起來舒適,並且不讓你感到費勁,這會有巨大的生物醫療應用前景。我開始想,我們能不能開發出柔軟的可穿戴機器人呢?」

答案被證明是「能」。Walsh 和同事 Terry Ellis、Louis Awad、Ken Holt 一起,與電氣工程、機械工程、材料科學和神經科學領域的專家們合作,開發出了一種很巧妙但其實技術難度並不高的行走助力方式:柔性動力服。

柔性動力服的原理和結構

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這副動力服的原理是:一條布帶捆在使用者的小腿肚肌肉上;用自行車刹車線做成的的帶輪裝置(pulleys),一端連在小腿布帶上,另一端連在用戶背後的動力裝置上。當使用者要抬起腳邁步時,動力裝置會拉動帶輪線纜,這幫助使用者進行抬腿動作。隨後,當腳朝前動作的時候,另一條連接在鞋尖的線纜會收緊,所以用戶腳尖不會拖在地上。該情況被稱為「足下垂」(foot drop),是中風患者行走的普遍難點。

透過這種方式,無法控制自身肌肉的患者們,一個飽受困擾的關鍵問題──行走,得到了緩解。他們可以抬起腿,同樣重要的是,他們的腳趾尖不會向下墜,這樣腳尖不會在行走時拖在地上以至於摔倒。這是完美的行走協助裝置。

Walsh 解釋:「輔助特定關節的動力服是前所未有的,在過去,人們全都只想著研發覆蓋整條腿的動力服。而我們只專注於一個關節。關鍵的是,在中風病例中,這個關節是行動受損最嚴重的。另外,我們做到了讓材料很輕並且很容易穿戴。簡單的就是最好的,這是我們的座右銘。」

在早期的設計中,拉動線纜以幫助使用者抬腿、抬腳尖的帶輪,被一個類似於像是手推車的裝置驅動,它需要跟隨著使用者。而目前的動力裝置已大幅縮減了體積,這是該系統最關鍵的改進之一。現在,它只重 4.5kg,背著它的使用者不至於太累。Walsh 認為在不久的將來,他們可以進一步縮小動力裝置:「馬達會變得更輕,電池也會更輕,這些都是很大的好處。」

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▲ 改進後的驅動裝置。

動力裝置還內含慣性測算單元( inertial measurement units,IMU),它們會分析使用者腳部移動的力量,並相應地拉升或者降低帶輪。為了讓系統正常工作,感測器必須精確到毫秒。Walsh 說,驅動的時機絕對是最關鍵的。

這套柔性動力服已經成功進行了測試。穿著它的中風患者在跑步機上慢走的影片,證明了它提升人們行動能力的效果。當穿上柔性動力服之後,患者們不再需要倚著手杖,他們的腳步變得更快且更有信心。Walsh 強調,他們的系統並不是行動力受限的唯一解決方案。剛性機械動力服永遠會有用處,比如針對全身癱瘓的患者。但對於不那麼嚴重的情況,輕便靈活的柔性動力服會是更好的選擇。

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柔性動力服對中風患者的意義

據衛報報導,每年英國都有約 11 萬人遭受中風。 大多數患者能活下來,但中風仍舊是英國第三大死亡原因,僅次於心臟病和癌症。中風發生的原因是腦部血液輸送中斷,這通常是由血液凝結塊或者血管爆裂引起。中風會影響肌肉的工作。英國中風協會指出,大腦透過神經向肌肉傳遞命令訊號,來使肌肉動作。中風給大腦造成損傷,也打斷了這些訊號。典型的中風症狀包括足下垂和軟弱無力沒精神,病人感到疲勞並且動作笨拙,這讓他們更難以控制肢體動作。

哈佛大學 Wyss 生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)也參加了這個柔性動力服專案。 它的研究員 Ignacio Galiana 說,「中風患者往往選擇遠離社會,他們不再外出,不再參加社交活動,甚至也不再去孫子的運動會。他們選擇待在家裡,不再鍛鍊身體,因為這耗費精力也很累。他們從我們的世界中消失。透過讓他們能再次行走,我們希望不再讓這樣的情況發生。」

這個柔性動力服的設計目標並不是全天的穿戴,而是讓中風患者每天能穿著它出去晃幾個小時,不至於精疲力盡。這個裝置應該也能在說明患者重新行走的康復物理治療中派上用場。Walsh 說:「這是一個能極大加速、延伸中風患者康復過程的工具。有了柔性動力服,患者們不再需要考慮怎麼行走,這會變得更自然,就像他們中風前一樣。」

至於臨床應用的日期,Walsh 展望他的團隊能夠在 3 年左右把原型機推向市場。柔性動力服並不會局限於幫助中風患者。Walsh 補充:「腦性麻痺、阿茲海默症(老年癡呆症)、多重硬化症,帕金森氏症、老年行動不便等情況全都可以從這副裝置獲益。當肌肉不再有足夠的力量讓人走動,柔軟的、可穿戴的機器人會幫助他們。」

(本文由 雷鋒網 授權轉載) 

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