外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域中的應用現(xiàn)狀及展望

喻垚瑞，胡雪軍，吳坤鵬，潘景光，陳活良，任 杰，蔣 偉*

（1.空軍軍醫(yī)大學基礎(chǔ)醫(yī)學院學員四大隊，西安 710032；2.空軍軍醫(yī)大學空軍衛(wèi)勤訓練基地，西安 710032；3.解放軍63750 部隊醫(yī)院，西安 710043）

0 引言

外骨骼是一種能夠增強人體力量和耐力的人機協(xié)同設(shè)備[1]，它直接與人體肌肉骨骼系統(tǒng)并聯(lián)，提供承載、保護、運動助力以及環(huán)境感知等[2]。作為新興人體增強技術(shù)的重要設(shè)備，外骨骼在世界各國受到了廣泛的關(guān)注，各國相繼開展外骨骼的研發(fā)。自1956 年哈德曼項目引領(lǐng)第一波外骨骼研發(fā)浪潮以來，外骨骼的發(fā)展已過半個世紀，在軍事、醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域均有初步的應用[3-5]。在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域中，外骨骼在提升醫(yī)療人員戰(zhàn)場救治能力方面具有非常廣泛的應用價值和前景，但目前仍處于探索階段。本文對外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)及應用建議進行論述，以期為外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域的研發(fā)工作提供參考。

1 外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

外骨骼起初旨在增強士兵的力量，但隨著技術(shù)的發(fā)展，外骨骼已不再局限于增強人體力量，其應用更加廣泛。在軍事領(lǐng)域，外骨骼主要用于滿足士兵適應復雜戰(zhàn)場環(huán)境的需求，這對其綜合性能提出了較高要求，世界各國至今仍在不斷探索以尋求更大突破。在醫(yī)療領(lǐng)域，外骨骼具有較好的臨床價值，持續(xù)推動著外骨骼的開發(fā)，目前用于醫(yī)療的外骨骼在輔助患者生理功能恢復中發(fā)揮著重要作用。在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域，外骨骼的實際應用需要同時具備軍事和醫(yī)療的雙重特性，因而發(fā)展更加困難，至今尚無成熟的外骨骼進行實際應用，但其在增強戰(zhàn)時單兵戰(zhàn)救能力、促進戰(zhàn)救裝備的集成運用、保護戰(zhàn)場醫(yī)療人員以及輔助傷病員康復訓練等方面具有廣闊應用前景。

1.1 外骨骼增強單兵戰(zhàn)救能力

戰(zhàn)場救治效率與醫(yī)療人員體力密切相關(guān)，外骨骼利用機械動力裝置增強人體力量與耐力或通過結(jié)構(gòu)設(shè)計降低人體體力消耗，可大幅度增強醫(yī)療人員力量與負重耐力。2001 年，日本神奈川工科大學率先研制出全身機械動力輔助服PAS（如圖1 所示）[6]，可提升穿戴者力量50%～100%，能幫助護士舉起體質(zhì)量較大的患者。2000 年，美國啟動增強人體機能的外骨骼（exoskeletons for human performance augmentatio，EHPA）項目，在該項目支持下，美國加州大學成功研制了第一個屬于下肢領(lǐng)域的機械外骨骼BLEEX[如圖2（a）所示][7]，BLEEX 有效載荷達34 kg，可幫助士兵攜帶重物。該團隊還先后研發(fā)了ExoHiker、ExoClimber和HULC 外骨骼，如圖2（b）、（c）、（d）所示[8]。2021 年，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院研制出一種輕質(zhì)軟外骨骼（如圖3 所示）[9]，受試者穿戴輕質(zhì)軟外骨骼后行走，股直肌、股外側(cè)肌、腓腸肌和比目魚肌的肌肉疲勞度比未穿戴時分別下降了14.69%、6.66%、17.71%和8.15%。未來，戰(zhàn)場醫(yī)療人員通過穿戴外骨骼，不但能減輕醫(yī)療人員承擔所攜帶醫(yī)療物品和裝備的質(zhì)量，使其攜帶更多戰(zhàn)救耗材的同時減少傷員搜救等行動的體力消耗，還可幫助醫(yī)療人員更加敏捷地完成匍匐跳躍等戰(zhàn)術(shù)動作，提高其自身戰(zhàn)場生存能力的同時增強火線搶救等行動的靈活性與機動性。此外，在傷病員的救治或轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)中，外骨骼同樣可使醫(yī)療人員更高效地完成擔架搬運等作業(yè)任務。

圖1 動力輔助服PAS[6]

圖2 BLEEX 系列外骨骼

圖3 中國科學院深圳先進技術(shù)研究院輕質(zhì)軟外骨骼[9]

1.2 外骨骼促進戰(zhàn)救裝備的集成運用

在信息技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，衛(wèi)勤保障各裝備的互聯(lián)互通成為必然趨勢，外骨骼可作為一個智能載體，為戰(zhàn)場救治設(shè)備集成運用提供支持。2013 年，美國特種作戰(zhàn)司令部與美國國防高級計劃局牽頭研發(fā)輕型戰(zhàn)術(shù)突擊作戰(zhàn)服TALOS（如圖4 所示）[10]，該作戰(zhàn)服集成了外骨骼、新型護甲、生理和生物傳感器、智能頭盔、通信裝置等設(shè)備，旨在提高士兵的戰(zhàn)斗力、防護和戰(zhàn)場感知能力，并可實時監(jiān)測穿戴者的生命體征，必要時還可為士兵進行供氧、止血等緊急自主醫(yī)療。俄羅斯中央精密機械制造研究所2017 年發(fā)布了“ Ratnik-3”士兵系統(tǒng)樣機（如圖5 所示）[11]，該系統(tǒng)集成了外骨骼、信息系統(tǒng)、突擊步槍、生命監(jiān)測與防護系統(tǒng)等59 個組件，通過頭盔顯示器能夠顯示健康、生理、溫度、目標、地圖等信息。未來，外骨骼與戰(zhàn)場救治設(shè)備進行綜合集成運用，有望打造出一體化智能救治系統(tǒng)，使醫(yī)療人員、衛(wèi)勤指揮人員以及后方醫(yī)療專家能夠?qū)崟r交互信息，使救治行動現(xiàn)場指揮協(xié)調(diào)更加順暢高效，實現(xiàn)遠程醫(yī)學指導對戰(zhàn)現(xiàn)場救治末端的覆蓋；該系統(tǒng)還可作為基站記錄、儲存?zhèn)麊T救治信息，為救治后的復盤匯總提供數(shù)據(jù)支持；此外，可基于該系統(tǒng)集成醫(yī)療設(shè)備的電源、外殼等結(jié)構(gòu)，進一步減輕醫(yī)療人員所攜帶醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量。

圖4 輕型戰(zhàn)術(shù)突擊作戰(zhàn)服TALOS[10]

圖5 “ Ratnik-3”士兵系統(tǒng)樣機[11]

1.3 外骨骼保護戰(zhàn)場醫(yī)療人員

在戰(zhàn)場環(huán)境中進行傷員救治，醫(yī)療人員可能面臨作戰(zhàn)環(huán)境帶來的生命威脅，救治時的高強度負荷也易造成肌肉損傷，穿戴外骨骼可為戰(zhàn)場醫(yī)療人員提供強大保護。加拿大Mawashi 公司于2017 年推出了一款超輕被動型士兵外骨骼系統(tǒng)UPRISE（如圖6所示）[12]，其可以與防彈衣相結(jié)合，為穿戴者提供護甲，還可將穿戴者50%～80%的負重力量轉(zhuǎn)移到地面，減少下肢關(guān)節(jié)損傷的風險。法國Schwartz 等[13]評估了不同外骨骼在各類任務中對人體軀干和背部肌肉活性的影響情況。實驗中，29 名志愿者各負荷15 kg，分別穿戴3 種不同背部支撐外骨骼執(zhí)行靜態(tài)任務、對稱提升任務以及不對稱提升任務。與不穿戴外骨骼時相比，穿戴2 種主動外骨骼均可將背闊肌、豎脊肌等肌肉活性從-7%降低到-62%，穿戴被動外骨骼可將背部肌肉活性從-12%降低到-27%。Ji 等[14]設(shè)計了一種主動腰椎外骨骼SIAT-WEXv2（如圖7 所示），分別記錄了10 名受試者穿戴SIAT-WEXv2 和未穿戴SIAT-WEXv2 情況下舉起25 kg 負載時L3 水平豎脊肌的肌電圖信號，結(jié)果顯示穿戴后受試者的肌電圖信號顯著降低，平均降低40.5%，波動范圍為±6.5%。未來，外骨骼在戰(zhàn)場環(huán)境下的應用，不僅可通過遮蓋人體表面保護醫(yī)療人員免受子彈、彈片的傷害，還可在負重、搬運等場景下緩解其肌肉關(guān)節(jié)負荷，降低肌肉關(guān)節(jié)損傷風險。

圖6 超輕被動型士兵外骨骼系統(tǒng)UPRISE[12]

圖7 SIAT-WEXv2原型機[14]

1.4 外骨骼輔助傷病員康復訓練

在戰(zhàn)爭背景下，醫(yī)療機構(gòu)常面臨人員不足、醫(yī)療資源有限等困境，不能及時合理地輔助神經(jīng)肌肉損傷傷病員進行康復訓練，因此經(jīng)常出現(xiàn)損傷部位愈后功能不佳等問題，而外骨骼的應用為解決傷病員康復訓練問題提供了新的思路和手段。美國Ekso Bionics 公司研制的Ekso NR 外骨骼（如圖8 所示）[15]可幫助神經(jīng)損傷的患者進行適應性步態(tài)訓練，并可以持續(xù)監(jiān)測和調(diào)節(jié)患者運動狀態(tài)，患者和醫(yī)療人員可根據(jù)反饋的信息制訂更合理的訓練計劃，Ekso NR先后被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準應用于中風、脊髓損傷、腦損傷和多發(fā)性硬化病患者。哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)了一種用于手指功能康復的機械外骨骼（如圖9 所示）[16]，可輔助手指損傷的患者進行手指運動（手指運動幾乎達到了健康成年人的最大彎曲角度），顯著增強了患者處理部分功能性日常生活任務的能力。Zhang 等[17]研制了一種模擬患者咳嗽的軟外骨骼（如圖10 所示），其通過對人體腹部施加壓力，向上“推動”橫隔膜的方式，增強脊髓損傷患者咳嗽排痰能力，具有輔助效果好、副作用少、舒適等優(yōu)點。未來，通過穿戴外骨骼，不僅可輔助運動能力損傷的傷病員進行主動康復訓練，在減輕醫(yī)療人員護理壓力、節(jié)省醫(yī)療資源的同時使康復訓練更加有計劃地完成，還可在傷病員的日常生活中幫助傷病員恢復損傷肢體的部分基礎(chǔ)功能，使其在生活中更加自信，也體現(xiàn)出對傷殘士兵的人文關(guān)懷。

圖8 Ekso NR 外骨骼[15]

圖9 手指康復外骨骼[16]

圖10 軟外骨骼的仿生概念設(shè)計[17]

2 外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域應用面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)有無動力來源可將外骨骼分為主動外骨骼和被動外骨骼[18]。被動外骨骼沒有動力來源，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計輔助人體運動，在人機協(xié)調(diào)性、控制效果以及輔助效果等方面存在一定不足。主動外骨骼通過傳感器采集信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)采集的信號驅(qū)動外骨骼完成對人體的輔助，但存在續(xù)航短、質(zhì)量大以及成本高等問題。相比于被動外骨骼，主動外骨骼具有更豐富的功能和用途，因此其研發(fā)受到更多的關(guān)注。下面主要對主動外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域應用面臨的挑戰(zhàn)進行分析。

2.1 人機交互協(xié)調(diào)性差

主動外骨骼通過控制器分析傳感系統(tǒng)采集的信號控制外骨骼，從而實現(xiàn)與人體同步與運動[19]。目前外骨骼采集分析的信號主要有物理信號和生物電信號2 類[20]。測量物理信號的傳感器在人體產(chǎn)生運動意圖時需要身體有一定的運動改變后才能將產(chǎn)生的力、位移、角度等物理信息傳遞給控制器，因此測量物理信號的外骨骼存在一定的滯后性。測量生物電信號的傳感器直接根據(jù)人體肌電、腦電等信息傳遞給控制器，在一定程度上解決了信號采集滯后的問題，但由于人體的生物電信號精確復雜，因此基于采集生物電信號的外骨骼采集的信號往往不準確且技術(shù)難度大。HAL-5 外骨骼[21]采用收集物理信號和肌電信號相結(jié)合的方式實現(xiàn)雙控制，但其仍與真實的肌肉模型具有一定的差異。無線腦-機接口使外骨骼與人體的交互更加準確，但由于其控制器半侵入腦膜外，存在與人體的相容性問題[22]。

2.2 供電續(xù)航能力差

外骨骼能源供給問題一直是制約主動外骨骼實際應用發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。起初外骨骼需要攜帶電纜，直到2005 年伯克利機器人與人體工程學實驗室通過結(jié)構(gòu)設(shè)計并使用重力和能源回收技術(shù)完成了ExoHiker 外骨骼[8]的研發(fā)，外骨骼才脫離了電纜的牽絆。之后外骨骼主要采用蓄電池供電，但蓄電池有容量限制，不能滿足長時間續(xù)航的需求。2021 年，復旦大學團隊構(gòu)建了一種新型纖維聚合物鋰離子電池，將纖維鋰電池編制成可穿戴的紡織品，對解決外骨骼續(xù)航問題具有重要意義。該電池的能量密度達86.69 W/kg，但仍不足以滿足外骨骼的能量需求[23]。

2.3 整體結(jié)構(gòu)厚重

由于外骨骼對結(jié)構(gòu)強度要求較高，設(shè)計制造往往需要選擇高密度材料，這導致外骨骼質(zhì)量增加從而使其實際使用受到限制。因此，外骨骼的輕量化為各國研究的重點之一，質(zhì)量的減少可以增加外骨骼的靈活性，同時延長外骨骼的使用壽命。外骨骼的制造材料從最初的鋼鐵，到鋁合金、鈦合金，再到如今的各種新型材料，一定程度上減輕了其質(zhì)量，但整體結(jié)構(gòu)仍較為厚重。2013 年研發(fā)的Soft Exosuit 柔性外骨骼腿部采用網(wǎng)狀綁帶代替以往外骨骼的剛性桿件，質(zhì)量大大減輕。其設(shè)計理念具有劃時代的意義，經(jīng)過改進，第二代Soft Exosuit 自身質(zhì)量達10.1 kg[24]。但是，對于長時間使用者來說，這個質(zhì)量仍會給其造成較大的承重負擔。

2.4 運動受到限制

人體運動以可動的骨連接為樞紐，肌肉收縮牽拉其附著的骨骼從而產(chǎn)生運動，具有較高的靈活性。穿戴者與外骨骼交互過程中受到材料結(jié)構(gòu)和內(nèi)部元件的限制，不能完全模擬人體的自主運動。2005年ExoClimber 下肢外骨骼通過在髖關(guān)節(jié)增加液壓缸進行主動助力，實現(xiàn)了外骨骼快速爬樓梯和陡坡，該技術(shù)的突破增加了外骨骼的運動活動度。2020 年葛國強等[25]提出了一種十自由度外骨骼康復機器人，可實現(xiàn)上肢多關(guān)節(jié)組合的康復訓練，提升了上肢康復外骨骼的適應性。但是，目前外骨骼的活動度仍然難以完全適應真實人體關(guān)節(jié)的全部運動。

2.5 使用成本高

外骨骼設(shè)備價格高昂，用于醫(yī)療康復的外骨骼中頭部產(chǎn)品Ekso Bionics 價格超過10 萬美元，HAL-5價格最低約2 萬美元[26]。用戶使用外骨骼的同時還有設(shè)備維護、使用培訓等相關(guān)費用。根據(jù)相關(guān)資料，殘疾人用戶使用一件動力髖-膝-踝外骨骼設(shè)備每年的總成本超過10 萬美元[27]。昂貴的價格導致外骨骼在市場接受度不高，3 家專營外骨骼機器人的創(chuàng)業(yè)公司ReWalk、Ekso Bionics、Cyberdyne 發(fā)展已近20年，至今尚未實現(xiàn)盈利[28]。

3 外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域應用的建議

3.1 加強關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域，研究人員應在結(jié)合現(xiàn)有外骨骼技術(shù)的基礎(chǔ)上加強對關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)以突破瓶頸，解決外骨骼人機交互協(xié)調(diào)性差、供電續(xù)航能力不足以及整體結(jié)構(gòu)笨重等問題，研發(fā)出更加輕巧、靈活及耐用的新型外骨骼。外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域的應用對增強戰(zhàn)場醫(yī)療人員急救能力以及提升衛(wèi)勤保障能力具有重要意義，研發(fā)重點應放在更加輕質(zhì)穩(wěn)定的外骨骼材料和能量密度更大的電池2 個方面，以滿足戰(zhàn)場醫(yī)療人員自如的行動和持續(xù)的高體力消耗需求。

3.2 加強各系統(tǒng)集成運用

外骨骼是一種復雜的人機交互系統(tǒng)，包括生物傳感、智能控制、信息處理、能量供應等多個系統(tǒng)，研究人員應加強外骨骼自身各個系統(tǒng)的集成運用，以形成高效、穩(wěn)定且安全的統(tǒng)一整體，促進外骨骼在醫(yī)療領(lǐng)域的應用。此外，外骨骼與其他裝備集成運用也應予以重視，可將其作為一個載體嵌合醫(yī)療人員的醫(yī)療裝備、通信裝備等，也可根據(jù)救援任務的差異選擇嵌合特定的裝備，實現(xiàn)醫(yī)療人員在戰(zhàn)場急救中協(xié)調(diào)使用自身攜帶的裝備的目的，提升了醫(yī)療人員的救治效率。

3.3 加強相關(guān)領(lǐng)域人才合作交流

外骨骼具有較強的軍民通用性，其技術(shù)涉及領(lǐng)域廣，多方協(xié)同與學科交叉是促進外骨骼發(fā)展的可行方案。在外骨骼的研發(fā)方面，美軍高度重視與民營企業(yè)的合作，美國國防高級研究計劃局與民營企業(yè)Ekso Bionics 長期進行合作，研發(fā)出HULC 外骨骼[8]，Ekso Bionics 研制的Guardian XO 外骨骼在美國海軍也有應用。我國外骨骼的研制起步較晚，近年來發(fā)展迅速，但與美國等發(fā)達國家仍有較大差距，應加強軍地相關(guān)領(lǐng)域人才合作交流，共同謀劃外骨骼的技術(shù)創(chuàng)新。

3.4 加強使用人員培訓

目前，外骨骼技術(shù)仍不夠完善，無論是基于物理信號還是生物電信號控制外骨骼，仍存在與穿戴者運動意圖可能不一致的問題，造成使用外骨骼具有一定的難度和危險性。因此，在使用外骨骼完成任務前應加強對穿戴者的培訓，確保穿戴者掌握外骨骼的正確使用方法，實現(xiàn)友好的人機交互，防止事故的發(fā)生。加強使用人員培訓對于外骨骼日常維護保養(yǎng)同樣重要，通過系統(tǒng)的培訓使其了解外骨骼的保養(yǎng)方法，才能延長外骨骼的使用壽命。此外，對于康復類外骨骼，除加強對患者的使用培訓外，還應對醫(yī)療人員進行培訓，以便醫(yī)療人員能幫助患者進行高效的康復治療。

4 結(jié)語

目前，外骨骼的研發(fā)技術(shù)不斷完善成熟，在戰(zhàn)現(xiàn)場救治、特殊環(huán)境衛(wèi)勤保障和傷員康復等方面產(chǎn)生了重要影響，具有廣闊的應用前景。人機融合技術(shù)、高性能電池技術(shù)以及材料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的突破，外骨骼人機交互、能耗續(xù)航、靈活運動、安全舒適等性能的全面提升，將是未來外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域能夠進一步拓展應用場景的關(guān)鍵。隨著外骨骼技術(shù)和其他科技領(lǐng)域的合作交流，外骨骼在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域仍有很大的潛力待挖掘。