從輪椅到行走自由，只需一個(gè)機(jī)器人

呂方銳

在北京大學(xué)校園的一角，坐落著北京市智能康復(fù)工程技術(shù)研究中心，工程師周亞雷坐在一堆箱子中間，正試圖把幾個(gè)定制零件拼裝在一起。在他身后的架子上，掛著一個(gè)機(jī)器人，上半身像一個(gè)背包，下半身是兩條機(jī)械腿。這是他們最新研發(fā)的外骨骼機(jī)器人。

機(jī)器人（Robot）是指自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動，來協(xié)助或取代人類的工作。

周亞雷在制做的外骨骼機(jī)器人，是為了幫助癱瘓病人走路?；颊甙蜒b置上半部分背在身上，機(jī)械腿綁在雙腿外側(cè)，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)的支撐和電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，患者就可以重新站立行走。

《全球疾病負(fù)擔(dān)》（Global Burden of Disease）估計(jì)，全球約9.75億人（19.4%）患有殘疾。其中約1.9億人（3.8%）有“嚴(yán)重的殘疾”——諸如四肢癱瘓、嚴(yán)重的抑郁癥或失明。

Rewalk、Ekso和Cyberdyne等企業(yè)是醫(yī)療外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的先行者，國內(nèi)也有電子科技大學(xué)、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院和北京大學(xué)等科研院所在進(jìn)行相關(guān)研究。他們希望，能利用醫(yī)療將外骨骼機(jī)器人帶給更多的癱瘓病人。

如果真的能讓所有癱瘓患者重新站立行走，無疑是劃時(shí)代的壯舉。但在完成這個(gè)任務(wù)之前，外骨骼機(jī)器人必須要解決自身的技術(shù)難題。

癱瘓病人的行走夢

24歲的林寒，在2013年不慎從四樓摔下導(dǎo)致脊髓損傷，下肢失去了運(yùn)動能力。

林寒告訴《財(cái)經(jīng)》記者，他曾多次試圖擺脫輪椅，但膝蓋無法支撐他的身體重量。他嘗試過傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練如針灸、力量訓(xùn)練，效果并不好。

2015年，林寒在四川省八一康復(fù)中心見到了電子科技大學(xué)開發(fā)的外骨骼機(jī)器人，當(dāng)即報(bào)名成為試用者。

外骨骼機(jī)器人最早在1965年由美國通用電氣公司和美國軍方合作開發(fā)，意圖輔助士兵進(jìn)行軍事活動，增強(qiáng)士兵負(fù)重行軍的能力。后來多家商業(yè)公司和科研院所轉(zhuǎn)變研究方向，開發(fā)出了幫助癱瘓病人行走的醫(yī)療用外骨骼機(jī)器人。

2016年4月28日，北京、美國下肢癱瘓的小伙子斯蒂夫（Steve Sanchez）穿著他的外骨骼機(jī)器人，第一次直立行走在長城上

外骨骼機(jī)器人帶動患者行走，需要各部分的協(xié)調(diào)配合。

首先，外骨骼機(jī)器人要通過傳感器捕捉到患者的行走意圖?！坝械漠a(chǎn)品使用的是傾斜傳感器，它能監(jiān)測身體的前傾，利用重心的微妙變化來控制運(yùn)動。”電子科技大學(xué)機(jī)器人研究中心執(zhí)行主任程洪教授告訴《財(cái)經(jīng)》記者。

然后，外骨骼機(jī)器人就會運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動連桿帶動人的雙腿邁出步伐。強(qiáng)有力的電動機(jī)能帶動患者行走，患者只需要用雙手拄拐杖保持平衡。

為了讓患者走起來更加自然，工程師們將人的走路姿態(tài)劃分為幾個(gè)階段，比如，雙腿站立態(tài)、左腿擺動態(tài)和右腿擺動態(tài)，根據(jù)各個(gè)階段的運(yùn)動特點(diǎn)，設(shè)定電機(jī)參數(shù)，使機(jī)械腿的走路姿態(tài)更接近人。

邁動步伐時(shí)，患者雙手握拐杖，配合腳步交替撐地，進(jìn)而保持身體平衡。經(jīng)過一段時(shí)間的適應(yīng)性練習(xí)后，很多患者可以比較熟練地行走。“林寒只用了一兩個(gè)月就能熟練掌握了?！彪娮涌萍即髮W(xué)機(jī)器智能研究所的博士生黃瑞說。

外骨骼機(jī)器人的機(jī)械骨架，使用了高強(qiáng)度的合金材料，可以支撐患者身體的大部分重量。

在很多中低收入國家，殘疾人能獲得的衛(wèi)生保健和康復(fù)等公共服務(wù)嚴(yán)重缺失，公共場所的無障礙設(shè)施也很少，殘疾人即使是從貨架上取東西、獨(dú)自上廁所這樣的小事都會成為巨大的挑戰(zhàn)。

長久的輪椅和床榻生涯還給他們帶來多種疾病。醫(yī)學(xué)研究證實(shí)，長期臥床的癱瘓病人呼吸量減少，咳嗽動作減弱或消失，呼吸道分泌物排出不暢，易引發(fā)肺部感染;癱瘓患者長期缺乏運(yùn)動，易造成關(guān)節(jié)強(qiáng)直、肌肉萎縮和形成血栓;癱瘓后肌肉收縮對骨的作用消失、患者鈣調(diào)節(jié)激素變化等因素，會造成骨質(zhì)疏松。

因此，能讓這些患者站起來，獨(dú)自完成一些日常生活的瑣事，是一件了不起的事。

在作為外骨骼機(jī)器人試用者幾個(gè)月后，林寒身穿外骨骼機(jī)器人，完成了第九屆全國殘疾人運(yùn)動會的火炬?zhèn)鬟f任務(wù)。

價(jià)格、重量和易用性難兼顧

林寒已經(jīng)能夠熟練使用外骨骼機(jī)器人活動，但他還是覺得自己身上的這套裝置有點(diǎn)重，達(dá)到21公斤。黃瑞和周亞雷等研究人員也承認(rèn)，包括他們的產(chǎn)品在內(nèi)，市面上大多數(shù)設(shè)備重達(dá)幾十公斤，癱瘓患者無法長時(shí)間穿戴，在上下輪椅時(shí)需要頻繁地穿脫設(shè)備。

“這已經(jīng)是能買到的最輕、最小的電機(jī)了，”周亞雷指著外骨骼膝關(guān)節(jié)上的電機(jī)告訴《財(cái)經(jīng)》記者，“電池的重量也受當(dāng)前的技術(shù)局限，沒辦法再減輕?！?/p>

國內(nèi)很多研究團(tuán)隊(duì)研究重點(diǎn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的研發(fā)上。電機(jī)、傳感器等配件是從專業(yè)廠家采購成品。“我們盡量在金屬材料上減輕重量。這些定制的部件用的是市面上最輕的合金材料?！敝軄喞渍f。

外骨骼機(jī)器人最主要的難點(diǎn)是輕量化。這依賴于很多相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，比如電機(jī)、電池等的輕量化。“我們希望最終能夠做成一個(gè)像眼鏡一樣方便長期佩戴的產(chǎn)品。”黃瑞表示。

還有一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是，如何讓外骨骼機(jī)器人保持自我平衡?，F(xiàn)在市面上的產(chǎn)品大多數(shù)都無法做到，還需要患者雙手支撐拐杖，這限制了其適用范圍。

Rewalk的發(fā)明者高弗爾自己都無法使用Rewalk，因?yàn)樗闹c瘓?！安⒎撬械尼t(yī)用外骨骼都具有實(shí)現(xiàn)自平衡的條件，它們中的大部分僅僅驅(qū)動穿戴者的膝關(guān)節(jié)，不能完全影響穿戴者的下肢動作，無法實(shí)現(xiàn)自平衡?！?浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授歐陽小平告訴《財(cái)經(jīng)》記者。

外骨骼實(shí)現(xiàn)自平衡，即意味著機(jī)器人能夠判斷是否發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生失穩(wěn)，以及能夠?qū)ζ錂C(jī)械肢體（連同穿戴者肢體）做出運(yùn)動控制。

人體上半身的重量對重心位置有較大影響，為實(shí)現(xiàn)自平衡，外骨骼需要能夠觀測包括人體上半身在內(nèi)的重量分布。然而，這超出了醫(yī)療用下肢外骨骼機(jī)器人的作用范圍。

在運(yùn)動控制上，醫(yī)療外骨骼工作原理是驅(qū)動患者肢體按照設(shè)定的步態(tài)運(yùn)動，從而協(xié)助患者恢復(fù)行走能力。但為了維持自平衡而進(jìn)行的失穩(wěn)控制，則要求實(shí)時(shí)調(diào)整步態(tài)，與按照預(yù)設(shè)步態(tài)行走的使用要求相反。

想要掌握外骨骼機(jī)器人的使用，還需要患者進(jìn)行長期的訓(xùn)練。美國退伍軍人事務(wù)部購買了多套Rewalk，用于幫助受傷軍人康復(fù)和鍛煉。該事務(wù)部主管康復(fù)研究的副主任斯龐根博士曾表示，適應(yīng)外骨骼機(jī)器人需要時(shí)間。而且并非所有的癱瘓病人都能夠完成Rewalk的使用訓(xùn)練，有些人完全學(xué)不會。

想要解決上述問題中的一個(gè)或兩個(gè)，并非不可能，但目前的技術(shù)水平，外骨骼機(jī)器人很難兼顧價(jià)格、重量和易用性。

SuitX公司負(fù)責(zé)公關(guān)事務(wù)的蔡登博格向《財(cái)經(jīng)》記者提供的材料顯示，他們的產(chǎn)品大幅簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了制造成本，減輕了重量;各關(guān)節(jié)部分可以拆開單獨(dú)使用、銷售，提供給從事體力勞動的健康人，提高了銷量，平攤了研發(fā)成本。

然而，這是以降低易用性為代價(jià)的。

黃瑞認(rèn)為，這款設(shè)備為了降低成本，減輕重量，犧牲了步態(tài)的自然性，去掉了上下樓梯等功能?；颊咝枰度敫鄷r(shí)間去練習(xí)才能熟練使用該產(chǎn)品。

林寒和電子科大團(tuán)隊(duì)寄希望于技術(shù)升級解決上述問題。黃瑞所在團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)使用場合對電機(jī)功率的要求并不高，因此他們正在研發(fā)的下一代產(chǎn)品，選用了功率更小的電機(jī)，同時(shí)簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。

這兩項(xiàng)改變預(yù)計(jì)可以使產(chǎn)品減重7公斤。針對不同患者的病情需要，采用產(chǎn)品定制化的方式，取消部分多余的功能和結(jié)構(gòu)，可以一定程度上兼顧價(jià)格和易用性。

不過，考慮到功能性和易用性，以目前的技術(shù)水平，重量和價(jià)格只能盡量兼顧。

如何賣出去

林寒最近忙于幫助團(tuán)隊(duì)收集使用數(shù)據(jù)，編寫使用手冊，協(xié)助團(tuán)隊(duì)改進(jìn)產(chǎn)品。他期待下一代產(chǎn)品能讓他更加自如地行走。如何讓更多的林寒們獲得行走的機(jī)會，就需要考慮如何讓實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品商業(yè)化。

由于國內(nèi)相關(guān)研究大多以科研為目的，立項(xiàng)早期普遍缺乏商業(yè)化考慮。因此，國內(nèi)研發(fā)的產(chǎn)品市場化率明顯低于國外企業(yè)。

“我們正在和醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作，免費(fèi)提供產(chǎn)品給患者使用。同時(shí)我們的產(chǎn)品也在走認(rèn)證程序。通過認(rèn)證，產(chǎn)品就可以銷售了。”程洪表示。

將外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品通過認(rèn)證，是商業(yè)化的關(guān)鍵一步。

國產(chǎn)醫(yī)療用外骨骼機(jī)器人作為醫(yī)療器械，應(yīng)向國家食品藥品監(jiān)督管理總局（下稱食藥監(jiān)總局）申請認(rèn)證。由于該產(chǎn)品較為前沿，還沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)，食藥監(jiān)總局先要對其進(jìn)行分類，之后進(jìn)行檢驗(yàn)、臨床測試，最后才能認(rèn)證。

研究人員們在等食藥監(jiān)總局的分類結(jié)果，目前，還沒有國產(chǎn)產(chǎn)品通過認(rèn)證。程洪團(tuán)隊(duì)是首個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入認(rèn)證流程的團(tuán)隊(duì)。

在臨床測試中，他們發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)外骨骼機(jī)器人的商品化，難點(diǎn)在于打消患者對安全性的顧慮。很多患者長期缺乏運(yùn)動，下肢已經(jīng)沒有知覺。他們在使用產(chǎn)品時(shí)，感覺身體像飄在空中一樣，沒有安全感。但經(jīng)過一兩個(gè)月時(shí)間的訓(xùn)練，患者下肢都慢慢恢復(fù)知覺，可以有意識地控制外骨骼機(jī)器人，對于安全性的顧慮才能有所消除。

即便是通過認(rèn)證，目前看已經(jīng)上市的國內(nèi)外產(chǎn)品，銷量都還不理想。

Rewalk作為首款通過美國食品和藥品管理局（FDA）認(rèn)證的外骨骼機(jī)器人，2015年全年，其生產(chǎn)商Rewalk Robotics公司的營業(yè)總收入374.6萬美元。即使將營收全部換算，按照每套設(shè)備售價(jià)7萬美元計(jì)算，Rewalk去年全年也只賣出50多套。

根據(jù)美國殘疾統(tǒng)計(jì)中心的數(shù)據(jù)，超過680萬美國居民在使用輔助裝備行動，其中包括170萬使用輪椅或代步車的患者，以及610萬使用其他移動裝置（如拐杖、手杖等）的用戶。

銷量和癱瘓病人的龐大數(shù)量形成鮮明反差。“目前也有一款外骨骼可以做到自平衡，叫REX。當(dāng)然，自平衡的代價(jià)是很大的，首先需要在結(jié)構(gòu)上做得非常龐大，因?yàn)槠潢P(guān)節(jié)構(gòu)造更加復(fù)雜;其次是在控制算法上也有很高的要求。這類產(chǎn)品體積龐大、售價(jià)高昂，在市場上沒有優(yōu)勢?！秉S瑞表示。

貴，在于制造成本高。合金材料，要不規(guī)則形狀制造，電機(jī)需要定制，這些都會提高成本。據(jù)黃瑞介紹，他們研發(fā)的外骨骼機(jī)器人所用的電機(jī)，一個(gè)就要好幾千元。一套外骨骼機(jī)器人，僅電機(jī)和定制部件的成本就達(dá)到10萬元左右。

REX售價(jià)約15萬美元;結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低的Rewalk售價(jià)約7萬美元;市面上價(jià)格最低的是SuitX公司推出的“鳳凰”，價(jià)格約4萬美元。國產(chǎn)產(chǎn)品的價(jià)格更具優(yōu)勢。

在材料上，國內(nèi)外都是采購的工業(yè)成品，成本相差不大。國產(chǎn)產(chǎn)品免去了關(guān)稅，同時(shí)在人員成本等研發(fā)費(fèi)用上更占優(yōu)勢。程洪透露，他們的產(chǎn)品上市后，價(jià)格有望降到20萬元以下。

但這樣的價(jià)格仍然是一般人難以承受的，更何況大部分癱瘓患者沒有工作收入。從事醫(yī)療器械推廣的李鍇告訴《財(cái)經(jīng)》記者，他看好外骨骼機(jī)器人的前景，但目前來說產(chǎn)品太貴了，他還不考慮涉足。

這又回到了老問題上，如何做到價(jià)格、重量和易用性兼顧，能讓大多數(shù)癱瘓病人用上一款合適的產(chǎn)品，需要研究人員和市場的共同作用。