癱瘓12年，外骨骼機器使她首次站立行走 | 機智過人
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《知識分子》主編魯白在《機智過人》解讀人工智慧
編者按
央視綜合頻道《機智過人》第二季於8月11日晚8點首場登陸。這是央視一套傾全力打造的大型原創性科學綜藝節目，將於每周六在黃金時段播出 。在這一季中，《知識分子》主編、清華大學教授魯白，將全程與知名演員韓雪、主持人撒貝南共同擔任機智見證團嘉賓，帶給觀眾三十個最新銳的人工智慧項目。
全新升級的《機智過人》第二季，將著重體現「大國智慧，以人為本，惠及民生」，從展示大國驕傲技術、解決痛點難點問題、滿足人類美好願望的三個角度，聚焦「人工智慧式的解決方案」，有高度、有溫度地將人工智慧技術帶入觀眾的周末生活。
首期節目展示了3個人工智慧項目，其中 「外骨骼機器人」項目，讓很多觀眾感動得流淚：女警官黃曼開朗熱情，積極向上，12年前，一場車禍，使她脊髓受損，頸部以下高位截癱完全不能站立和行走。通過僅僅20天的訓練，在央視的舞台上，外骨骼機器人幫助她第一次重新站了起來，甚至邁出了艱難的第一步。《知識分子》今天的文章將重點解讀這項創造了奇蹟的項目背後的科學和技術。
撰文 | 陳燕惠
責編 | 程 莉
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林寒，今年30歲，2015年意外從4樓跌落，傷及脊髓，導致雙下肢癱瘓，大小便失禁，無法正常生活。但在2015年第九屆殘奧會上，他卻拿著火炬步行完成了火炬傳遞。
女警察黃曼的情況則更為嚴重，12年前的一場車禍徹底改變了她，由於從頸部開始神經信號傳遞就中斷了，她脖子以下的身體完全失去知覺。這樣嚴重的脊髓損傷，竟然也能夠成功站起來並且緩慢向前邁步。
這些奇蹟是如何實現的？
8月11日晚8點，央視大型原創性節目《機智過人》在第二季節目的首期揭示了其中的秘密：是外骨骼設備使他們再次站立行走。
「
中樞神經系統嚴重損傷幾
無再生可能
」
脊柱是人體的支柱。它上承頭顱，下接骨盆，是一個類似埃菲爾鐵塔的結構，不僅能夠有效支撐人體軀幹，而且還能保護極其重要的中樞神經系統中的脊髓。
脊髓就藏身在脊柱內部自上而下貫穿的脊管之中，它上端連接人類最高級的神經器官大腦，兩側連結神經，是傳遞軀體信息的重要中樞。
腦和脊髓組成的中樞神經系統，負責接收和傳遞全身各處的信息，一旦嚴重損傷，直接會導致受損節段以下肢體嚴重的功能性障礙，造成不同程度的四肢癱瘓或截癱。
全運會跳馬冠軍桑蘭，大家熟知的超人扮演者克里斯托弗?里夫
（Christopher Reeve）
等，都是因意外導致脊髓損傷的截癱患者。在中國，每年脊髓損傷新發病例高達12萬例，並且通常發生在青壯年時期，年齡在14到47周歲左右。昂貴的治療費用、長時間的康復訓練及長期勞動力的喪失，是脊髓損傷患者不得不面臨的巨大壓力，一些人因此對生活失去了信心，甚至承受不了心理壓力而選擇自殺。
脊柱由7塊頸椎
（C1-C7）
，12塊胸椎（T1-T12）
，5塊腰椎（L1-L5）
，以及1塊骶骨和1塊尾骨疊加而成。走上《機智過人》節目的林寒，是胸椎的T11區受損，肚臍以下的疼痛感完全消失。而黃曼警官的情況更加嚴重，她屬於C5/6平面的脊髓損傷，比林寒整整高了13個節段，屬於重度一級傷殘。
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黃曼和林寒損傷的部位胸椎T11區損傷的林寒上腹肌力存在，並且仍有一定的軀幹支撐能力，而C5/6平面受損會讓黃曼頸部以下失去所有感知覺和複合知覺，手部力量非常薄弱。她們在節目中將接受人機合體試驗的挑戰——在外骨骼機器人的幫助下站起來，邁出一步、兩步。
這在普通人看來是再容易不過的行為，而對於脊髓損傷患者，卻是可望不可即的夢想。
在腦和脊髓以外的周圍神經系統，主要負責聯絡中樞神經和其它各系統器官。周圍神經系統的神經元軸突損傷，在一定程度上是可以進行自我修復的，但中樞神經系統的神經元軸突一旦損傷，很難再生。這意味著人的脊髓一旦嚴重受損便無法修復，也就永遠不能站立，更不用說行走。
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神經元如何使成年哺乳動物的中樞神經系統獲得再生的能力，一直是神經領域的世界級難題。
在20世紀80年代，加拿大科學家Aguayo用成年大鼠做實驗，將切斷的脊髓中樞神經軸突與周圍神經對合，發現中樞神經軸突能夠長入周圍神經之中，長度達2—3厘米，說明中樞神經細胞的軸突確實具有再生能力。儘管此項成果為該領域的發展打下了良好基礎，但是隨後的十幾年內對於脊髓損傷再生問題的研究卻沒有獲得長足的進步。
直到1996年，以頒發諾貝爾生理學或醫學獎而舉世聞名的瑞典卡羅林斯卡醫學院神經學教授歐森
（Lars Olson）
和中國台灣的鄭宏志（Cheng Henrich）
共同發現，儘管大鼠自體肋間神經切成幾節之後，仍可通過含有成纖維細胞生長因子（FGF）
的Fibrin膠粘合損傷脊髓的兩端，並且在術後6個月可以觀察到大鼠的行為功能和損傷脊髓的結構得到明顯恢復的現象。這次研究的進展又重新燃起了人們對於脊髓再生的希望。一時間，世界各地的科學家再一次投入到各種嘗試和研究的大軍中，結果卻收效甚微。因此從嚴格意義上來講，大家仍認為成年哺乳動物的中樞神經系統在遭到嚴重損傷後幾乎沒有再生的可能。「
四川造的外骨骼機器人
」
從神經生物學角度而言，脊髓損傷治療的可行性似乎陷入了困境。那麼，是否林寒和黃曼警官就再也不能獲得重新站立的機會了呢？
其實，我們也許不應當只是孤立地尋找醫學上用於脊髓損傷治療的新技術。正所謂山重水複疑無路，柳暗花明又一村，伴隨著科學和工程技術的高速發展，近幾年來機器人輔助技術作為結合了多學科最新研究和發展的成果，正在廣泛地運用到康復醫療領域當中，並且率先在多個國家投入使用，例如美國、以色列、德國和日本等。
長期以來，國內在外骨骼研究方面還處於相對空白的階段。2010年，從美國卡耐基梅隆大學歸國不久的程洪教授帶領其團隊，開始研發為人類四肢運動提供助力的機械外骨骼機器人。
2008年汶川地震發生後，身為四川人的程洪有一次來到四川省康復醫院康復中心，他被眼前出現的上百位截癱患者的場景震撼了。
「我覺得我以前的東西都白學了！」程洪的內心波瀾起伏，「雖然一直從事機器學習與模式識別等相關研究，但是如何才能真正的用自己所學的知識去創造美好，幫助更多因脊椎損傷導致癱瘓的殘疾人重新站立起來，實現直立行走才真正是我應該做的事。」
2015年，林寒作為一名特殊的志願者，是第一位成功穿戴程洪團隊自主研製的外骨骼設備的截癱患者。由於林寒有一定的軀幹支撐能力，因此在穿戴上第四代裝備之後，他不僅能夠在平地上行走，而且還能上下樓梯。
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林寒在外骨骼設備的幫助下邁上台階
這得力於程洪精心設計的兩個智能化產物：智能鞋和拐杖。一方面，智能鞋在台階上行走的時候，因具有激光檢測功能，會通過感測器判斷上下樓梯的指令並且可以檢測上下樓梯動作的完成度和安全性。另一方面，智能拐杖不僅可以接受人的意圖，還能通過計算生成擬人化的步態，輔助行走。
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林寒現場邁上三級台階在央視的節目中，林寒不僅可以行走，還現場邁上三級台階，走上前去和魯白、撒貝南和韓雪三位嘉賓握手。
「
更大的挑戰
」
到目前為止，已經有超過100 位截癱患者和林寒一樣藉助外骨骼機器人獲得了重新站立的機會。
而黃曼的情況格外不同。除了處於高位的頸椎平面脊髓損傷，她的身體還存在兩個嚴重缺陷：核心肌群缺乏力量和平衡功能障礙。
得知黃曼的病情後，程洪團隊接受了《機智過人》節目組的挑戰，在20天內製定精準的治療方案以幫助黃曼站起來行走。
和林寒不同，黃曼因為長期癱瘓導致全身肌力和耐力大幅度減退，因此在短短的20天內無法通過握力和上肢肌力的訓練達到穿戴外骨骼的基本標準。而由於目前第四代外骨骼設備的運用上限是胸椎T6區，因此改造設備來適應她個人的實際情況也不現實。
為此，程洪團隊通過不斷討論與驗證，最終制定出了一套切實可行的方案。
首先，針對黃曼的身高，
程洪團隊
為其量身定做了一套全新的外骨骼設備。其次，針對黃曼個人的身體狀況，採用了胸背夾以及其他輔助手段幫其發力，並同時制定了相應的心肺功能康復訓練方案。最後，將外骨骼設備從由手控制改造為腦電與肌電信號控制。儘管如此，黃曼警官和程洪教授對於能否挑戰成功並沒有太多的把握。「仍然會有很多不確定性的因素影響試驗結果。」程洪在節目中說道。
由於黃曼的上肢只能支撐起她身體約1/5的重量，因此即使在外骨骼的幫助下重新站立起來，仍然會因為下半身沒有力量支撐而使身體處於一種懸空狀態，這意味著必須藉助智能拐杖等其他手段才能使身體保持平衡狀態。
但第二個問題又接踵而至，使用拐杖的前提是患者手臂要有一定的力量進行功能的操控，但顯然黃曼並不具備這樣的條件。此外，20天的訓練時間對於熟練掌握腦電和肌電信號的控制具有相當大的難度。
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黃曼重新站立起來
令人欣慰的是，雖然黃曼在訓練的20天中都沒能通過外骨骼機器人重新站立起來，但是在節目錄製過程中，經過多次勇敢的嘗試，她終於重新站立起來，並邁出了代表性的兩步。一直陪伴左右、全程高度緊張的丈夫，此刻走上前緊緊抱住了她，現場觀眾一度為之動容，熱淚盈眶。
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黃曼成功邁出第一步黃曼邁出的這兩小步對於人工智慧領域而言，其實是一個巨大的進步。外骨骼的發展經歷了從概念設想，到軍用研究推動，再到民用的過程。在上世紀60年代末，美國紐約的研究機構General Electric Research與康奈爾大學合作研發了第一款外骨骼系統。到本世紀，一方面美國國防高級研究項目署為推進單兵增強型外骨骼研究推出的EHPA項目，催生了一系列新型外骨骼技術，來自加州大學伯克利分校的BLEEX系統是其中的典型代表。另一方面，外骨骼用於醫療康復特別是輔助下肢運動的研究逐漸成型。來自日本的HAL外骨骼系統和以色列製造商Rewalk Robotics設計的Rewalk是該領域的先行者。
2016年10月在蘇黎世舉辦的「人機合體奧運會」上，外骨骼技術被發揮得淋漓盡致。作為一種自帶動力的「步態康復」裝備，外骨骼技術幫助了那些完全癱瘓並且不能控制雙腿的選手完成一系列超高難度的動作，例如爬樓梯、坐到椅子上和操控設備穿過坡道。
雖然對於人與人機交互技術領域的研究起步較晚，但是程洪表示其帶領的機器人研究中心團隊也有自己的優勢。目前，他們依託電子科技大學，已經具備較強的科研能力。「產業、學校、科研機構等相互配合，發揮各自優勢，讓科研成果可以更好、更快地實現產業化，到達患者身邊。多年從業經驗，有較強影響力的康復專家加盟，能夠更加準確地定位患者實際需求。並且我們還和多家醫院建立了合作關係，形成了良性循環。」程洪告訴《知識分子》。
「這是一個了不起的進步。「《知識分子》主編、清華大學教授魯白表示，外骨骼設備是幫助脊髓損傷患者的一個強有力的工具，已經初步具備了廣泛應用於各種生活場景的可能。未來還有很大的提升空間，比如克服體積和重量較大，缺乏柔韌性且造價昂貴等缺點，以及更好地模擬人的步態，達到正常人走路的速度。
魯白表示，外骨骼機器人技術未來將走進尋常百姓家，不僅能夠治療和干預一些由疾病導致的行動障礙，還將在孤獨老人的看護等方面發揮獨特的作用。
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