有柔性外骨骼助力 残障者摆脱轮椅不是梦

通讯员 衣晓峰 科技日报记者 李丽云

美国漫威漫画公司旗下塑造的超级英雄——钢铁侠托尼·史塔克，在物理学家协助下，利用方舟反应炉作为能量运转来源，制造了一套装甲杀出重围后逃脱，得以化解各种危机，后来参与创立复仇者联盟。男主角在影片中身着钢铁战服与各路人马打斗的场面惊心动魄，让人大呼过瘾。这套钢铁战服材料坚固，可承受极大的冲击力；加上精密的机械设计结构，得以完美契合人体，如同软猬甲防身护体。正是得益于这种柔性的设计，钢铁侠才不会觉得战服笨重而拖累自己作战的灵活度，从而越战越勇。

看似只能在电影里出现的柔性战服，其实已经在日常生活中逐步走入了各行各业，例如部队野外训练、工人装卸重物、瘫痪病人的肢体康复等，都有这种被称为外骨骼的设备在为人体赋能。在自然界，虾、蟹、昆虫等节肢动物体表坚韧的外骨骼，有保护和支持内部结构、抵御外部恶劣环境、且自我修复能力强的作用。而人体借助于外骨骼这样的黑科技，可以实现常人认为难于登天的极端条件作业、生物体神经系统重塑等一系列看似不可思议的特殊任务。近日记者通过电子邮件采访了远在英国工作的哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院电测技术及智能控制研究所的曹天傲博士，他对本领域的新成果、新进展进行展望。

大量“黑科技”正应运而生

作为国家公派的高水平研究生项目年轻学者，曹天傲目前正在英国利兹大学电子与电气工程学院辅助机器人与柔性外骨骼课题组开展关键技术的研发工作。曹天傲介绍，现有各种机器人具有刚性结构，限制了人体的自然运动，且人体生物关节与机器人不对齐，会造成极其严重的不舒适感觉，长久使用甚至会带来关节劳损等负面问题。与之相比，柔性外骨骼是一种完全可穿戴的类似衣服的软性设备，可包裹在人体肢体上，并与人体肌肉和韧带平行工作，通过特定负载路径将拉力传递到人身体上，并在生物关节处产生辅助扭矩。软外骨骼的内在顺应性使其惯性极低，并始终与生物关节“齐头并进”。

由于这些有前景的特性，开创性的原型已在国内外的实验室环境中纷纷开发出来。例如，由美国哈佛大学电缆驱动的软脚踝、日本广岛大学气动凝胶肌肉为基础的软肘部等，均已闪亮登场。同时，曹天傲博士所在的利兹大学和哈工大团队联手攻关，已经初步设计研制出了低成本家用中风康复柔性下肢外骨骼，其核心技术是采用气动肌肉方法包裹患者肢体；各种低成本传感器可以安在外骨骼外部，测量人体运动时候的速度、位置、转角等信息，进而利用这些力学参数给出特定的康复效果量化评估。一些生物传感器也能安装其中，捕捉人体运动时的肌肉电信号。部分微型传感器甚至像缝衣服一样被缝入内部。

外骨骼加持，让科幻变现实

借助柔性外骨骼，一系列过去只能在科幻作品中发生的故事，已能在人间重现，并有望改写人类经验和认知。如肢体障碍者恢复行走、人体步态研究、特殊物件传递交接等，完全可以凭籍外骨骼创造奇迹。特别是在中风康复方面，随着柔性外骨骼的深度介入，极有可能带来革命性的突破。

在接受记者采访时，黑龙江省中医学结合学会眩晕症分会主任委员、哈尔滨医科大学附属第一医院神经外科四病房硕士研究生导师谢春成教授介绍说：中风又称脑卒中，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病。全球每年约有1500万人新发生脑中风，其中超过500万人死亡。

统计数字显示，城乡合计脑卒中已成为我国首位死因，也是中国成年人残疾的首要原因。谢春成解释，身为高发病率、高死亡率、高致残率的脑中风，其所酿成的脑组织损伤主要是神经细胞受损，致使神经通路阻断，大脑不能有效地控制肢体并按个人意图运动，因此通常形成偏瘫、肌肉萎缩，带来感知和运动功能障碍。而运动障碍往往不对称地累及两侧肢体，最终四肢瘫痪。其中25%至74%的幸存者需要辅助各种器具或完全依赖护理者才可进行日常生活活动。当前，传统的康复治疗手段通常依靠康复理疗师手动带动残疾者的患肢施行被动训练，训练策略比较单一；而且这种康复需要理疗师付出较强的体力劳动，患者通常难以得到足够强度与频次的康复训练。

残障人士摆脱轮椅不是梦