鋼鐵俠，請讓一讓！

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作者：安德魯·瑟斯頓

翻譯：喻若然

編輯：明天

視頻展示了柔性外骨骼機器衣是如何幫助人們「重新訓練」自己的步伐。這款外骨骼衣可讓穿戴者的步態更加勻稱，消耗力量更少。視頻來源：Rolex Awards/Wyss Institute at Harvard University

身穿沉甸甸的動力裝甲，鋼鐵俠可以從屋頂騰空而起，直衝雲霄。當這位超級英雄制服大反派時，這身金燦燦的鈦合金行頭看上去可真不賴，但要是穿成這樣去含飴弄孫，共享天倫之樂，那可就難以消受了。對於那些剛剛從中風中恢復過來的患者而言，想要回到原來的生活，做過去最喜歡的事，現在有一個更好的選擇：一款柔軟而輕便的外骨骼機器衣。它可以系在腿上，輔助行走，穿到任何地方去。

盧·阿瓦德和泰蕊·伊利斯是波士頓大學薩金特保健與康復科學學院的物理治療教授，也是這款醫療外骨骼衣的製作團隊成員。該款可穿戴機器人能夠幫助中風患者在復健過程中走得更快，更遠，更安全。和鋼鐵俠那身厚墩墩的鈦合金套裝相比，它的外殼透氣性高，製作材料包括專利產品、細電纜，以及一系列幫助模擬人體肌肉和筋腱的小電機。

這項技術已經獲得了銷售許可，近幾年內可於診所開放購買。它將改變成千上萬人的生活。每年都有795000位美國人遭遇中風，中風導致血液無法流至大腦的某些部分，因而患者或者身體慢性萎縮，或者癱瘓，連簡單的行走也變得困難重重，甚至成了相當危險的苦差事。15%-35%的中風患者可以在超過六個月的時間內學習獨立行走。其中許多人已無法恢復過往的速度和穩定性。根據美國《腦卒中》雜誌的報道，約40%的中風患者在患病一年內，行動能力嚴重下滑。

仿若天然

這款外骨骼衣是一款電子器械運動護具，造型樸實，卻比科幻「生化人」的科技含量更高。其重量僅為10磅。一個火柴盒大小的感測器附著在鞋子靠近腳踝處的外滾口上，兩片黑色的外罩包裹了腰部以及大腿下方的大部分區域。而電纜就像自行車的剎車一樣，從穿戴者的鞋子裡面一直延伸到腿肚子，從鞋舌一直到小腿。戴在腰部的小電機由包含複雜運演算法則的電腦裝置調節，為電纜提供動力，幫助穿戴者行走。

「中風患者在足部離地時的背屈以及控制與地面的間隙方面存在困難。」伊利斯說。也就是說，他們彎曲腳踝和抬腳的能力降低了。當他們想要把腳後跟壓在地面上行走時，會艱難地伸出腳趾，然而腳卻卡住了。該款外骨骼衣解決這個問題的方式是讓附在鞋舌上的電纜往回收縮，提供一點點力量，把腳趾抬起來。當穿戴者需要往前走動時，後端的電纜則會收縮，以使腳步推離地面，完成名為「跖屈」的運動。

這款外骨骼衣脫胎於一款為軍隊設計的軟體機器人，它的開發者是來自哈佛大學威斯生物啟發工程研究中心的哈佛生物實驗室團隊。該裝備也是與薩金特分院物理治療及運動傷害防護榮譽助理教授肯尼斯·霍爾特合作研發出來的。它將幫助軍人和應急救援人員以最小的力氣負擔重物。用相似的電纜、裹衣和電動機組合，它協同身體一起工作，在搬動重物時幫助降低壓力。根據《神經工程學與康復治療》期刊2016年5月的報道，這套目前還在開發中的裝備通過為腳踝和臀部提供輔助力量，將原本大約為穿戴者體重30%的承重降低到了7%左右。

薩金特物理治療教授泰蕊·伊利斯（左）與盧·阿瓦德正在開發一款幫助人們在中風後重新學習走路的醫療外骨骼衣。攝影/達娜·史密斯

為了將這套裝備用於醫療界，威斯邀請伊利斯和阿瓦德加入這個工程師、計算機科學家和商業開發人士的團隊。他們需要「根植於臨床醫療界，和病人在一起工作的研究專家」，伊利斯說。她是波士頓大學神經康復中心主任。他們面臨的第一個大挑戰非常實際。阿瓦德表示，這套軍隊裝備是為「負重能力超級強的健壯人士」設計的，它直接運用於身體。

而他們要開發的裝備，穿戴者需要用它來承擔人體肌肉、筋腱和骨骼的特定力量，並在此基礎上提供助力。這不是身強體健的軍人所面臨的麻煩，而是罹患中風的老人們特有的問題。

開發這款醫療版外骨骼衣的伊始，團隊便在尋找相較軍隊裝備更為柔軟的面料。「第一個樣品使用的材料是安全帶的織帶。」阿瓦德說。他是波士頓大學神經康復實驗室主任。這套醫療裝備是「用合成材料製成，安全，透氣性強，與穿戴者的腿部貼合得更好」。他們還做了一些其它改造。儘管原版裝備適用於兩條腿，而醫療裝備則只需一條腿，但它卻需要集中協助推離地面這一動作，而軍隊裝備卻不需要考慮軍人伸展腳趾的問題。「軍隊裝備的目標是對抗自然，打破自然製造的障礙，」阿瓦德說，「而用於醫療的外骨骼衣，目標卻是將人們重新變成自己原來的樣子。」

兩個版本的裝備都有感測器，可將信息傳導至電腦控制裝置，阿瓦德把它叫做「大腦」。當一個人大步向前時，它可以將準確的輔助力度提供給每一位使用者。大腦是有適應能力的，阿瓦德說，「所以當一個人突然走得快了，或者改變了行走節奏，它都能辨認出來，給予回應。」儘管截至目前，測試仍停留在實驗室內，但它最終應讓穿戴者能夠駕馭凹凸不平的路面。

阿瓦德說，該裝備的一大特色是它的運行模式創意，這使它區別於其它正在開發中的設備。而這也正是薩金特團隊的主要貢獻。如同更加柔軟的面料一樣，插入醫療外骨骼衣控制裝置內的運算程序也會保證不會為穿戴者的身體造成更大壓力。

「這是一款深刻了解人類運動規律的產品，而且它同樣懂得當人們中風後，運動會產生怎樣的問題。」他說。「這是我們與生物力學團隊、工程師討論之後的結果，我們把中風患者的運動方式教給他們。他們沒有那樣的經驗。」

「哦，天哪！哦，天哪！」

這套醫療外骨骼衣裝備遙遙領先於當前中風後的康復訓練方式：踝足矯形器。它是一款笨拙的模製塑料裝置，自1980年代早期一直沿用至今。這隻僵硬的靴子從小腿肚子延伸到腳踝，以90度角支撐住大腿和腳部。該款矯形器通過鎖住腳踝來阻止穿戴者的腳趾碰傷繼而跌倒。「但正因為有一個僵死的90度角，你無法蹬腳離開地面，只能抬起大腿，因而失去了正常步態的關鍵動作。」伊利斯說。這款靴子使人能夠在一定程度上重獲獨立行走的能力，但它不能幫助他們去做自己愛做的事。阿瓦德補充道，它還可能會帶來一些併發症。「如果你在很年輕時就中風了，那部分沒有直接受到中風影響的肌肉也會相應萎縮。」

在測試中，一些參與者穿上醫療外骨骼衣後，幾乎完全恢復了中風前的步伐速度。在一個外骨骼衣測試會議上，使用者的步速甚至開始超過監控他行動的理療師。在另一個測試中，阿瓦德看見一個參與者開心地大喊：「哦，天哪！哦，天哪！」「她告訴我，『我當時都開始琢磨我的雜貨鋪購物清單了，而之前每天除了走路，我啥也沒法兒想。我必須考慮面前的下一步要怎麼走，否則我就會摔倒。』」

對於外骨骼衣的開發者們而言，未來的一大目標就是如何提升仿生學輔助行走的感測能力，以幫助它更好地適應不同的活動。攝影/羅勒克斯弗雷德·梅茲

通過一系列報告和學術文章，研究者們已經量化出了這套裝備的影響力。他們發現參與者能夠更有效、更輕鬆地蹬離地面，走得更遠，速度更快。這項研究是由軍隊資助，通過美國國防高級研究計劃局的「勇士網路」項目（Warrior Web Project）進行的，贊助機構還包括美國國家科學基金、威斯研究中心、哈佛鮑爾森學院，以及美國心臟病協會。研究結果刊登在2017年7月26日的《科學轉化醫學》期刊上。首席研究員科納·沃爾什是哈佛大學的一位工程及應用科學助理教授，他也是威斯研究中心的一名核心教學人員。

伊利斯無意於讓這套裝備取代理療師在中風康復訓練中的地位。它的作用其實是幫助人在中風之後的短時間內重拾行走能力，讓他們在出院後可以自己練習在家中行走。

「在這個國家，一旦你中風，大約3個月後，所有康復訓練就結束了。」她說。「這真是一大弊端。因為有許多研究表明，循序漸進的康復治療是非常有效的，許多身體機能可以得到提升。一位理療師可以開出外骨骼衣的處方，並針對每一位患者的不同情況設置參數。」

讓科學盡善盡美

為了調研如何在實驗室外最大限度地應用外骨骼衣，團隊正在尋求資金贊助。通過美國國立兒童健康與人類發育研究所，他們最近剛剛獲得了國立衛生研究院的撥款，繼續開發這項技術。儘管當前的首要目標還是讓這套裝備服務於中風患者，但團隊還計劃探索更多應用空間，諸如為帕金森症、多發性硬化症、腦癱患者定製相應的裝備。目前這款醫療外骨骼衣只是強化腳踝運動，但與哈佛合作的新項目將專門研發一個可以全面支持膝蓋和臀部運動的系統。

現在單體項目的贊助是由波士頓大學臨床及轉化科學研究所的試點補貼所提供的。阿瓦德正在設法改進可穿戴設備的感測能力和輔助受損運動的能力。他說，目前的感測器在跟蹤數據方面能力很強，如關節的角度和速度，腿能動得多快。但當該運動的其它關聯動作出現時，它的判斷力稍有不足：這名用戶是在正確的位置行走或者跨步向前嗎？他們是在拐彎還是在走直線？他正在開發一個可以涵蓋這一系列行為的運算系統，和他一起攻克難題的還有羅伯托·特羅恩，波士頓大學工程學院的助理教授。

ReWalk Robotics公司（註：以色列外骨骼系統提供商）已經為這項技術頒發了許可證，正在等待FDA（美國食品及藥物管理局）的批准。該款醫療外骨骼衣將於2018年正式面世。雖然任何人在穿上它以後都不可能像鋼鐵俠那樣一猛子扎進平流層，但它卻可以讓千千萬萬位祖父祖母在孫子面前再扮演一次超級英雄。

來源：波士頓大學科研網站 bu.edu/research

排版：曉嵐

題圖來源：123RF

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本文來自果殼網

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