專欄：世界首次人機合一的奧運會：比賽爬樓梯、晾衣服背後的黑科技

知識 05-21

2016年在蘇黎世舉行的人機合體奧運會，其中一項比賽是電脈衝功能控制自行車賽。（ETH Zürich/Alessandro Della Bella）

編者按

「輔助技術」（assistive technology）能協助殘疾人的日常活動。科學和工程對其發展至關重要，但蕾切爾·布雷澤（Rachel Brazil）發現，一項名為人機合體奧運會（Cybathlon）的體育賽事也頗有價值，因為它能幫助檢驗輔助設備是否適合使用者。

撰文|蕾切爾·布雷澤

翻譯|王爍

校譯|蔣海宇庄秋莞

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

今年3月，世界各地的參賽者齊聚韓國，參加2018年第12屆冬季殘疾人奧林匹克運動會。運動會上，有行動障礙的運動員們將會參加很多比賽：從滑雪、單板滑雪，到冰球和冰壺。有些選手會藉助物理輔助工具，比如輪椅和「坐式滑雪板」。你也許不知道，還有一場賽事，專門針對「輔助技術」的使用者。

這就是2016年10月在瑞士蘇黎世舉辦的「人機合體奧運會」（Cybathlon），由瑞士頂級學府蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）主辦。該活動旨在展示可用於幫助行動障礙者的前沿技術。相較於傳統運動中的勝利，人機合體奧運會更關注那些對行動障礙人士並不容易實現的日常活動，如爬樓梯、晾衣服，或準備早餐桌。

來自25個不同國家的科學家和工程師組成了56個團隊，設計並製造了各種裝備。66名有行動障礙的選手將操縱這些前沿設備，參與六項規則各異的比賽。這簡直是個輔助裝置的一級方程式比賽，有義肢，有腦機介面技術；駕駛員則是人機合體奧運會的劉易斯·漢密爾頓（Lewis Hamilton）們。他們的生活可能不像專業賽車手那樣熠熠生輝，但每位選手的發揮對於團隊的成功都至關重要：贏得比賽就是將技術創新用到極致。

人機合體奧運會的理念最初由羅伯特·瑞納（Robert Riener）提出，他是蘇黎世聯邦理工學院健康科學和技術系動力系統實驗室的負責人。他曾一直思考如何填補實驗室製造的設備與殘障人士真正需求之間的鴻溝。「他希望把實驗室里的成果應用到殘障人士的生活中」，羅蘭·西格里斯特（Roland Sigrist）說。他和達里奧·懷斯（Dario Wyss）（二人都跟隨瑞納接受博士訓練）共同組織了這一賽事。

但瑞納沒預料到2016年比賽的規模。「我們之前並不知道人們是否會感興趣，也不知道他們的反應怎麼樣，」西格里斯特承認道，「他們會歡呼雀躍還是無動於衷？會不會因為太無聊離場？」結果是，這場活動成為一項令人激動而緊張的公眾體育賽事。「太難忘了，」西格里斯特說，「整個觀眾、車手和團隊熱情高漲，真是一次獨特的經歷。」

在4600名觀眾的注視下，人機合體奧運會向公眾展示了輔助技術是如何幫助提高生活質量的。「比賽太令人興奮了，緊張又迷人，」安娜·馬特朗-費爾南德茲（Ana Matran-Fernandez）說，她是埃塞克斯大學的工程師，這次帶領英國團隊「頭腦風暴者」參加了人機合體奧運會，並在腦機介面比賽中贏得銅牌。在這項比賽中，參賽選手需要通過思想來控制電腦遊戲中的角色。

她的熱情感染了其他的參賽者，比如奧爾多·費薩爾（Aldo Faisal），一名來自英國帝國理工學院的神經技術學家，他帶領「帝國理工」隊參加了比賽。「用體育比賽的形式向世界展示更多的可能性，真是太棒了。」他說。但是人機合體奧運會不僅僅旨在讓人們關注前沿科技，更在於賦權科技產品的使用者，讓他們也能與科學家和工程師合作。「因為工程師團隊在設計中沒有考慮終端用戶，以致大量的技術項目快結束時，使用者覺得『這根本沒法用』。」費薩爾解釋道。

凱文·伊文遜（Kevin Evison），在動力臂義肢比賽中代表「帝國理工」隊參賽。他是一名肘關節截肢者，也是一名自行車騎行和摩托車的狂熱愛好者。(ETH Zürich / Nicola Pitaro)

動力臂義肢

人機合體奧運會展示了大量尖端科技。研發這些技術需要有對人體運動力學的深入理解。就義肢來說，需要能在不同的表面及不同的受力條件下運動。輔助設備也越來越多地通過電子信號去控制運動，為此我們需要尋找它跟用戶間有效的交互方式。因此，設計團隊跨學科的程度也越來越高：物理學家、工程師、計算機科學家都參與其中。

費薩爾的團隊參與了包括動力臂義肢賽在內的幾場比賽。在動力臂義肢賽中，失去胳膊的參賽者需要完成一系列任務，比如通過開關晾衣夾來模擬人們晒衣服的動作。最新的人機合體設計力求讓義肢自動執行用戶的預期動作，所以最自然的實現方式便是去檢測用戶殘餘肌肉中的電子信號。

基於大量學生項目在物理、數學和工程方面的已有工作，「帝國理工」隊採用了新的方法實現這一目標。這一方法避免了動力臂義肢的一個大問題：用戶和義肢之間的電接觸很容易失效，尤其是用戶開始出汗的時候。這種情況一旦發生，義肢將接收不到用戶的電子信號。「帝國理工」隊利用肌肉收縮時會震動這一現象，採用了與眾不同的方法來控制義肢。

他們的系統通過一個聲學麥克風探測用戶二頭肌發出的力學信號，也就是所謂的肌動圖（Mechanomyography），將檢測電子信號取而代之。這些微弱的震動會轉換成微伏級別的電子信號反饋，然後傳送給機械臂以完成動作。「我們能得到更好的數據信噪比，而且這也比在每塊肌肉放置高增益放大器（high-gain amplifiers）便宜百倍。」費薩爾解釋道。

開發外骨骼

在人機合體奧運會上還有一項包含動力外骨骼技術的比賽，不過這項技術還並不成熟。不能行走或是行動不便的人，穿上這些自帶動力的硬質「步態康復」裝備，就可以直立行走了。當然，人們通常還需要拄拐杖來保持平衡。這聽起來有些科幻，但在一些脊髓損傷康復部門已經可以看到這些裝備了。不過，目前的設備行動遲緩，用戶的行走速度通常只有正常行走速度的三分之一，就像《神秘博士》中的戴立克（Dalkes）一樣上樓艱難。

在外骨骼比賽中，那些完全癱瘓、不能控制雙腿的選手需要完成爬樓梯、坐到椅子上和操控設備穿過坡道這樣的項目。由蘇黎世聯邦理工學院修復工程實驗室的學者組成的「變形腿」（VariLeg）團隊接受了這項挑戰。他們從零開始設計他們的外骨骼，力圖最大化地複製人體動作。做起來比聽起來要難得多。如果你四肢健全，與其他物體碰撞不會影響你行走。踏上一塊石頭，你的腿也能隨心所欲地彎曲或者伸直。「人類完全是自動做到這些的。我們的研究正嘗試模仿這種自然行為。」團隊成員福爾克·巴滕巴赫（Volker Bartenbach）說。

VariLeg團隊(ETH Zürich/Alessandro Della Bella)

在機器人學裡，「柔順性」（compliance）指靈活性或者柔韌性。這使得一個健全的人抓起雞蛋時不把雞蛋捏碎。相反，一個沒有柔順性的機器人，無論遇到什麼阻礙，仍會按預定路徑到達預設點。柔順性允許定位變化，也是「變形腿」團隊試圖使外骨骼擁有的性質，讓他們的用戶適應起伏。

「人類肌肉非常複雜，但我們在嘗試模仿。」巴滕巴赫說。他的團隊將彈簧集成到腿部關節，以使其柔順。其膝關節由可變剛度驅動器（VSA）驅動，通過調整彈簧的拉伸幅度，關節剛度得以調整，外骨骼便能適應不同的表面。這些彈簧目前是預設好的，但巴滕巴赫實驗室的工作人員也正嘗試讓用戶任意控制外骨骼，甚至讓外骨骼自動化。

外骨骼比賽中，變形腿是七支隊伍中的第五名。最終獲勝的是德國公司瑞沃克（ReWalk），該公司製造商用外骨骼系統，供家庭及供康復中心使用。與F1比賽相似，嫻熟的選手和技術創新一樣關鍵。「因為障礙很多，這項比賽尤其不容易。」巴滕巴赫說。比賽的一項要求選手走過一系列不平的墊腳石，這需要很高的機動性才能完成。「我們的系統目前不具備這種機動性，但未來可能會有。」他補充道。

腦電波

人機合體奧運會的另一項特色輔助技術是腦機介面（BCI）。這是一新興領域，人們通過在頭皮上放置電極來探測大腦里的電子信號。腦電圖技術（EEG）將特定的信號和特定的想法對應起來，這樣人們就可以通過思想控制計算機和其他設備。在腦機介面比賽中，選手只能通過思想來控制電腦遊戲中的角色過關斬將。

據艾克賽森大學「頭腦風暴者」隊的馬特朗-費爾南德茲介紹，BCI設計中最重要的部分是清楚地識別思想不同指令時，腦中信號的不同態樣。在她的項目里，她需要讓選手一次一次地想不同的東西，再用演算法尋找其中區別夠大的信號以用於比賽。馬特朗-費爾南德茲解釋說，「你要在穿戴者的大腦皮層上，尋找產生不同信號態樣的那些腦活動。」

前橄欖球運動員大衛·羅斯（David Rose），他代表艾克賽森大學「頭腦風暴者」隊參賽，由他大腦中特定想法產生的電信號將會控制電腦遊戲中的角色。

正在思考的選手是大衛·羅斯，一名前橄欖球運動員。馬特朗-費爾南德茲從網上論壇聯繫到他。他非常想要成為「頭腦風暴者」隊的一員。測試過羅斯之後，馬特朗-費爾南德茲和同事選定了四種指令：三種用於控制角色向不同方向移動，一種用於停止。用於發出指令的思想分別是：移動右手，移動腳，回想電話鈴聲和在腦子裡玩文字遊戲。這些指令產生了能被BCI識別的信號，因為它們來自大腦的不同區域。

可惜這套系統是專門為羅斯的大腦設計的。如果別人想用，必須重新編程，因為每個人大腦發出的信號態樣有些微不同。馬特朗-費爾南德茲解釋說，當癱患者長時間只能思考動作，卻不能做出動作，他們就不再去想這些動作。正常人中觀察到的產生某腦皮層信號的區域，就可能會轉移到新的地方。

像外骨骼比賽一樣，選手的表現對人機介面也很重要。「收縮頸部肌肉產生的信號，比人機介面的信號強得多，會干擾整個系統。」馬特朗-費爾南德茲解釋說。幸虧羅斯經驗豐富，「頭腦風暴者」隊摘得銅牌。

未來從此開始

人機合體奧運會成功的關鍵在於它讓前沿技術直接在比賽中呈現並相互較量。如費薩爾所說，研究人員研究輔助技術時，通常只獨立地做產品，很少和其他人比較。「大家都各做各事，從未以參賽作為標準要求自己。這裡我們這樣要求自己，也使不同方法的好處盡顯。」他說。

人機合體奧運會也讓人們認識到不同技術的發展程度，了解什麼可能，什麼不可能，並澄清誤解。「比如說，目前腦機介面並不好用，但人們以為它已經近乎讀心術了，其實遠非如此。」費薩爾說道。

假臂這種商業應用超過50年的成熟技術，面臨的問題也不少。在蘇黎世的比賽中贏得動力臂義肢比賽的隊伍用了相對較為陳舊的技術：基於肩部肌肉的活動去張開和握緊手部。「我們發現，在現實生活中，有30%的義肢在第一次使用後的6個月內就會被丟棄。」費薩爾說。當使用者發現設備不好用，用起來不舒服或者很麻煩，我們就得找到用起來更符合直覺的設備。「它需要被當做身體的一部分。這就要求我們的設計包含認知科學和心理學的思考。」費薩爾繼續說道。

做外骨骼開發的公司和相關科學讀物的機構正迅速增長，exoskeleton.com在2015年就收錄了50多家。蘇黎世聯邦理工的研究員們成立了一家名為瑞士瑪葯（MyoSwiss）的公司，開發可穿戴式肌肉支撐裝置，以改善肌肉無力人群的活動能力。巴滕巴赫不是這個公司的一員，他認為，儘管使癱瘓病人完全擺脫輪椅還要等至少十年，但患者們可能會在一些情況下開始使用外骨骼，比如離開椅子時。「外骨骼不能治癒創傷，但它讓你的身體保持活動狀態。目前的任務就是讓這樣的設備活動地更快，變得更輕、更便宜。」

馬特朗-費爾南德茲對腦機介面的未來卻不樂觀。目前的通訊技術可以讓使用者一分鐘說兩到三個字。「這對於一個能打字或者說話的人來說實在太慢了」，而且也不可能把這項技術和運動結合起來，「沒有系統能過濾你在運動時產生的電信號干擾。」她說。

腦機介面應用最熱的領域是針對「閉鎖綜合征」患者的。他們有意識但是完全癱瘓，有時甚至連眼睛都不能動。在2017年，來自荷蘭烏德勒支大學的研究者在患有閉鎖綜合症、深受運動神經元疾病折磨的病人身上植入了腦機介面。他們的運動皮質上被放置了電極，這些電極又和一個植入胸部的發射器相連。當移動雙手這個想法產生時，他們可以控制一個輸入系統，每分鐘輸出兩個字。

人機合體奧運會的頒獎儀式（ETH Zürich / Nicola Pitaro)

有了這麼多前景美好的研究，下一屆蘇黎世人機合體奧運會暫定於2020年5月舉辦。組織者希望下一屆能舉辦兩天，比這次時間更久。「我們有96個團隊名額，比2016年出30個。」西格里斯特說。雖然比賽項目會保持不變，但合辦者懷斯透露：一些項目會增加額外挑戰。在主賽事之前，歐洲各大高校還會舉辦一些小型項目。其中一個會在明年於奧地利格拉茨舉辦。

2016年參加過比賽的這些「老兵」正策劃著2020年複賽的新戰略，並關注著技術創新。馬特朗-費爾南德茲就在勸說同事組建一個新隊伍參加下次比賽，並開發出實用的人機介面系統。這正是人機合體奧運會意義所在。如果能促進輔助技術的發展，那它就會在不久的將來向我們展示這些研究的價值與回報，並讓人們的日常生活受益。

Rachel Brazil，英國科普作家。郵箱：rechelbrazil@hotmail.com，Twitter：@rechelbbrazil

原文標題「The Cybathlon challenge"，首發於2018年3月出版的Physics World，英國物理學會出版社授權《知識分子》翻譯。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。未經授權的翻譯是侵權行為，版權方將保留追究法律責任的權利。

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製版編輯：黃玉瑩 |

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