“康復(fù)機(jī)器人”的堅(jiān)定探索者

謝更好

目前，人口老齡化已成為我國(guó)極為嚴(yán)峻的社會(huì)問題，嚴(yán)重影響我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。截至2019年，我國(guó)60歲以上的老齡人口達(dá)到2.54億人，占總?cè)丝诒戎丶s為18%，已成為世界上老齡人口總量最多的國(guó)家。同時(shí)，中國(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì)的調(diào)查結(jié)果顯示，2010年末我國(guó)各類殘疾人總數(shù)已達(dá)8502萬(wàn)人，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)殘疾人數(shù)將突破1億。目前，大量的殘疾人口中只有不到10%的人得到不同程度的康復(fù)服務(wù)。助老助殘，是中國(guó)社會(huì)面臨的重大民生問題。如何應(yīng)用科技力量破解助老助殘難題，一直是中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員王衛(wèi)群不懈前行的初心。

隨著人工智能、機(jī)器人等技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化的康復(fù)與輔助機(jī)器人獲得廣泛研究并逐漸被應(yīng)用于臨床康復(fù)治療，成為求解助老助殘醫(yī)療資源供需矛盾的有效方案。與其他機(jī)器人不同，康復(fù)輔助機(jī)器人的作用對(duì)象是人。人與機(jī)器人之間存在緊密的信息交流和能量交換，柔順自然的人機(jī)交互、患者充分參與的訓(xùn)練策略、康復(fù)處方設(shè)計(jì)等是其研究核心和關(guān)鍵技術(shù)?？祻?fù)機(jī)器人的研究涉及神經(jīng)科學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)器人技術(shù)、智能控制與信息處理等領(lǐng)域知識(shí)，是具有很強(qiáng)挑戰(zhàn)性并受到廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。多年來(lái)，王衛(wèi)群針對(duì)康復(fù)輔助機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)理論開展了堅(jiān)持不懈的探索，力圖將科研成果造福更多老年或殘疾人群。

人生選擇與轉(zhuǎn)變契機(jī)

在從事康復(fù)機(jī)器人研究之前，王衛(wèi)群已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)一線“摸爬滾打”了5個(gè)年頭。2006年7月至2011年8月，王衛(wèi)群一直在北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所擔(dān)任電控工程師一職，從事變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)等汽車關(guān)鍵零部件的自動(dòng)化裝配線研發(fā)工作。長(zhǎng)年累月扎根在產(chǎn)業(yè)一線，王衛(wèi)群積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?！拔矣X得這份工作對(duì)于我來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的收獲，因?yàn)樵趯W(xué)校里我們很少有機(jī)會(huì)進(jìn)入實(shí)際的企業(yè)去做工程技術(shù)研究工作，去真正了解企業(yè)到底需要什么，怎樣的技術(shù)能夠真正轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品，滿足社會(huì)的需求?！?/p>

經(jīng)歷多年的技術(shù)攻關(guān)實(shí)踐，王衛(wèi)群深刻意識(shí)到：我國(guó)的很多核心技術(shù)并未掌握在自己手里，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)和技術(shù)升級(jí)受到諸多限制。因此，他從內(nèi)心迫切期望從事關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新工作?！皬纳鐣?huì)的智能化發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)想要實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的智能化和無(wú)人化，對(duì)高端人才的依賴性會(huì)越來(lái)越大?！蓖跣l(wèi)群說(shuō)。

出于這一考慮，他通過(guò)不斷學(xué)習(xí)，順利來(lái)到了中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所攻讀博士學(xué)位。彼時(shí)，王衛(wèi)群的博士生導(dǎo)師正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)主攻康復(fù)機(jī)器人方向。在他的影響下，王衛(wèi)群深入了解了這一研究領(lǐng)域，并深刻意識(shí)到康復(fù)機(jī)器人的研究意義和技術(shù)挑戰(zhàn)，因此他毅然決然選擇踏入康復(fù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)理論研究中，并展開了深度探索。

康復(fù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的深度攻關(guān)

科研人員身上所具有的人文關(guān)懷與社會(huì)責(zé)任感在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究者身上體現(xiàn)得淋漓盡致。從一開始進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，王衛(wèi)群就在心里告訴自己：“既然做出了選擇，就一定要扎根于此，做出更多腳踏實(shí)地的科研成果?！?/p>

從閱讀文獻(xiàn)了解國(guó)內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展水平，到進(jìn)入醫(yī)院實(shí)地調(diào)查，了解臨床的實(shí)際需求；從參加相關(guān)技術(shù)展會(huì)，了解目前產(chǎn)品的技術(shù)水平，到參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議與國(guó)際同行進(jìn)行交流，做到“知己知彼”……王衛(wèi)群進(jìn)入康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域研究多年來(lái)，一直在穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步前進(jìn)。

目前，我國(guó)腦卒中（中風(fēng)）每年新發(fā)病例超過(guò)200萬(wàn)人，每年死于腦卒中超過(guò) 150萬(wàn)人。在幸存患者中，約75%～80%會(huì)留有不同程度的殘疾，其中重度殘疾超過(guò)40%。而根據(jù)2020年國(guó)際脊髓損傷關(guān)注日的相關(guān)報(bào)道，我國(guó)有約130萬(wàn)脊髓損傷患者，并以每年5至7萬(wàn)人的速度增長(zhǎng)，且具有青壯年居多和高致殘率的特點(diǎn)。

“肢體的不便，會(huì)給這些患者以及他們的家庭成員帶來(lái)極大的負(fù)擔(dān)與傷害?！蓖跣l(wèi)群說(shuō)。每當(dāng)看到這些病人的痛苦，他都會(huì)感到十分憂心。同時(shí)身為一名科研人，他愈加感覺肩上的責(zé)任重大。

王衛(wèi)群介紹說(shuō)，傳統(tǒng)的康復(fù)方式主要以人工輔助患者來(lái)完成，通過(guò)重復(fù)性的訓(xùn)練來(lái)強(qiáng)化下肢行走、上肢夠物等動(dòng)作相關(guān)的神經(jīng)回路，實(shí)現(xiàn)患者自主完成日常動(dòng)作的目的，這一過(guò)程與新生兒學(xué)走路如出一轍。臨床試驗(yàn)表明，康復(fù)機(jī)器人能在一定程度上幫助肢體不便的患者恢復(fù)自身控制肢體的能力。

在康復(fù)機(jī)器人中，“人”和“機(jī)器”是一體的，形成人機(jī)強(qiáng)耦合系統(tǒng)。機(jī)器人輔助的康復(fù)訓(xùn)練和日常生活中的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲一樣，都有一個(gè)意圖識(shí)別過(guò)程?！暗藱C(jī)強(qiáng)耦合系統(tǒng)與普通的意圖識(shí)別過(guò)程不同，機(jī)器人做訓(xùn)練是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，很多康復(fù)機(jī)器人并不能根據(jù)人體的指示做出迅速及時(shí)的反應(yīng)，造成機(jī)器人與患者進(jìn)行交互時(shí)不夠柔順自然，極大影響了康復(fù)效果。”王衛(wèi)群說(shuō)。為解決這一問題，他提出了面向下肢康復(fù)機(jī)器人臨床應(yīng)用的雙向感知增強(qiáng)人機(jī)交互方法，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了一系列探索。

表面肌電信號(hào)由于能夠反應(yīng)用戶的動(dòng)作意圖而被廣泛應(yīng)用于康復(fù)治療。在基于表面肌電信號(hào)精確預(yù)測(cè)人體關(guān)節(jié)扭矩與角度的研究中，王衛(wèi)群團(tuán)隊(duì)以主動(dòng)關(guān)節(jié)扭矩、關(guān)節(jié)角度指示人體運(yùn)動(dòng)意圖，提出了基于神經(jīng)肌骨協(xié)同建模與自適應(yīng)學(xué)習(xí)的人體關(guān)節(jié)扭矩精確估計(jì)方法，解決了傳統(tǒng)神經(jīng)肌骨建模方法在參數(shù)標(biāo)定時(shí)易陷入局部最優(yōu)解、難以適應(yīng)肌肉狀態(tài)變化等問題。相關(guān)成果發(fā)表在領(lǐng)域內(nèi)的頂級(jí)國(guó)際期刊上。

針對(duì)基于腦機(jī)接口技術(shù)的人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別難題，王衛(wèi)群團(tuán)隊(duì)提出了基于功能性電刺激（FES）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的增強(qiáng)型腦機(jī)接口范式。采用FES和VR技術(shù)引導(dǎo)被試執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象，提高被試執(zhí)行運(yùn)動(dòng)想象的效率，并提出一種改進(jìn)的共空間模式算法進(jìn)一步提高識(shí)別準(zhǔn)確率。針對(duì)上述方法，團(tuán)隊(duì)基于12名被試者開展實(shí)驗(yàn)，證明了方法的有效性。相關(guān)成果發(fā)表在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域的頂級(jí)國(guó)際期刊上。

針對(duì)如何提高患者在康復(fù)訓(xùn)練中的參與水平問題，他們提出了基于腦機(jī)接口和視聽覺反饋的注意力增強(qiáng)技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化訓(xùn)練任務(wù)的難度有效提高患者訓(xùn)練時(shí)的神經(jīng)參與水平。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，基于該注意力增強(qiáng)技術(shù)，被試者的注意力水平和肌肉激活度都得到顯著提高。相關(guān)成果已在領(lǐng)域內(nèi)的權(quán)威期刊發(fā)表。

讓研究成果造?；颊?/p>

將研究工作深入到臨床中，才能真正知道患者所需。而這也一直是王衛(wèi)群奉行的科研準(zhǔn)則。在從事科研的過(guò)程中，王衛(wèi)群經(jīng)常深入到醫(yī)院和病房，傾聽患者內(nèi)心最真實(shí)的聲音。每當(dāng)他們拿著新的發(fā)明產(chǎn)品，來(lái)到醫(yī)院幫助患者做康復(fù)訓(xùn)練的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，患者的高興都是從心底由衷而發(fā)的。

針對(duì)現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人主要針對(duì)特定康復(fù)階段，存在設(shè)備使用率低、訓(xùn)練處方單一及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一等問題。王衛(wèi)群帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)多年的探索，成功研發(fā)了國(guó)際上首臺(tái)可以在完整康復(fù)周期內(nèi)為下肢障礙患者提供康復(fù)訓(xùn)練的全周期下肢康復(fù)機(jī)器人。該機(jī)器人可針對(duì)不同的康復(fù)階段，為患者提供坐臥姿態(tài)的踏車訓(xùn)練、電動(dòng)直立床訓(xùn)練、步態(tài)行走訓(xùn)練、上下樓梯訓(xùn)練等多種康復(fù)模式，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、生物信號(hào)反饋及人工智能技術(shù)，為患者提供個(gè)性化的情景互動(dòng)訓(xùn)練任務(wù)，提高康復(fù)效果。相關(guān)成果獲得授權(quán)國(guó)際發(fā)明專利1項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng)。

雖然近些年來(lái)，康復(fù)機(jī)器人研究已經(jīng)取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果。但是，多年的研發(fā)經(jīng)歷讓王衛(wèi)群深深地感受到：要真正做出臨床有用且有效的康復(fù)機(jī)器人，難度是非常大的。這也是國(guó)內(nèi)外30多年來(lái)，該領(lǐng)域沒有取得重大進(jìn)展的原因之一。但是，這也無(wú)形中給了他們從事這項(xiàng)工作更大的動(dòng)力。自始至終，王衛(wèi)群都由衷地希望：通過(guò)自己的研究，在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域做出更多能夠造福社會(huì)的科研成果。未來(lái)，他們也將與醫(yī)療器械企業(yè)深度合作，致力于將康復(fù)機(jī)器人成果產(chǎn)品化。

創(chuàng)新研究、教學(xué)育人兩不誤

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人將迎來(lái)更為廣闊的發(fā)展空間?！皩⒖祻?fù)機(jī)器人基礎(chǔ)平臺(tái)搭建起來(lái)之后，如何有效提升康復(fù)效果，人工智能技術(shù)對(duì)此起著決定性作用?！蓖跣l(wèi)群說(shuō)。而在這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，科研創(chuàng)新的重要性不言而喻。

對(duì)于創(chuàng)新，王衛(wèi)群始終認(rèn)為，科學(xué)研究不能囿于一隅，一方面要通過(guò)閱讀文獻(xiàn)獲得靈感，而更為重要的方面是需要深入到臨床實(shí)踐，親自去試、去體會(huì)設(shè)備的使用效果。通過(guò)直觀的過(guò)程體驗(yàn)，才能從源頭上思考并提出一些創(chuàng)新性的技術(shù)，并由此可能推動(dòng)前沿理論的發(fā)展。

人才培養(yǎng)是為康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域培養(yǎng)后繼之才的關(guān)鍵一環(huán)。作為博士生導(dǎo)師，王衛(wèi)群認(rèn)為最重要的是給予學(xué)生們更多的自主權(quán)，讓他們?cè)诳茖W(xué)研究中發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性。研究生已經(jīng)是成年人，他們都有自己的固定思維模式和觀念，要建立嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的研究和思維方法并非易事。但他知道，所有的事情都需要一個(gè)過(guò)程，作為博士生導(dǎo)師，他會(huì)一直引領(lǐng)學(xué)生，來(lái)發(fā)現(xiàn)他們自身的無(wú)限可能。除此之外，科研人員本身的韌性也是王衛(wèi)群十分看中的。因?yàn)樵趶氖驴茖W(xué)研究的過(guò)程中存在著很多不確定性，也會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)與困難。“在這一過(guò)程中不因困難而退縮，不因周遭的干擾而降低標(biāo)準(zhǔn)，這是科研人員應(yīng)當(dāng)堅(jiān)守的科學(xué)素養(yǎng)。”王衛(wèi)群說(shuō)。

如今，我國(guó)在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些突破，但現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人離臨床需求仍有較大差距，其交互性能、康復(fù)效果、安全性及可靠性等仍需進(jìn)一步研究改善。前路任重而道遠(yuǎn)，唯有不懈攻關(guān)、創(chuàng)新探索。在康復(fù)機(jī)器人這項(xiàng)惠及千萬(wàn)家庭的科研事業(yè)中，王衛(wèi)群還將初心不移，不負(fù)使命。

專家簡(jiǎn)介

王衛(wèi)群，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心年輕骨干，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)康復(fù)工程分會(huì)委員，中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì)智能裝備技術(shù)分會(huì)委員，北京人工智能學(xué)會(huì)理事。

近年來(lái)，主要圍繞康復(fù)輔助機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)理論展開研究，主持研制了國(guó)際首臺(tái)可以在完整康復(fù)周期內(nèi)為下肢障礙患者提供康復(fù)訓(xùn)練的全周期下肢康復(fù)機(jī)器人，以及下肢外骨骼機(jī)器人、足下垂康復(fù)踏車、脊椎彎曲極限測(cè)試設(shè)備等樣機(jī)，提出并建立了機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的綜合與優(yōu)化、人機(jī)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的建模與優(yōu)化辨識(shí)、基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)的神經(jīng)肌骨建模、閉環(huán)腦機(jī)接口以及注意力調(diào)控等相關(guān)技術(shù)方法。

承擔(dān)國(guó)家自然基金委重大研究計(jì)劃項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目等。相關(guān)成果獲得授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)，授權(quán)國(guó)際發(fā)明專利2項(xiàng)。發(fā)表SCI及EI檢索學(xué)術(shù)論文50余篇，作為特邀編委出版了《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》專刊“康復(fù)機(jī)器人與智能輔助系統(tǒng)”（vol.42，no.12，2016），編寫完成康復(fù)機(jī)器人相關(guān)專著1部。