“软机器人”将可帮瘫痪者重新站起来走路

 

如果是走在街上，你可能以为自己进了高档体育用品店。但这不是耐克的大学，而是哈佛大学的生物设计实验室。这里有许多令人瞩目的研究项目，它们的目标是彻底改变“软机器人”科学。在这个过程中，也能改变中风患者的命运，帮助他们再次行走。实验室负责人沃尔什说：“从本质上说，我们正在研究能够为遭受移动障碍的人提供力量的衣服，帮助他们恢复移动能力。”

 

不久前，在洛杉矶的仪式上，35岁的沃尔什获得劳力士雄才伟略大奖（Rolex Awards for Enterprise）。他计划利用10万瑞士法郎的奖金扩展“软机器人”研究，将其制造成套装，以增强工人和士兵的负重能力。同时，这些机器人套装还可被用于医疗领域，包括帮助照顾患有帕金森病、脑性瘫痪以及其他影响移动能力疾病的病人。

 

 

沃尔什毕业于都柏林三一学院制造与机械工程专业。早在学生时代，他就曾读过美国正开发外骨骼帮助增强人类负重能力的报道，并对机器人产生痴迷。实际上，外骨骼就是类似机器人的坚硬外壳，可以将使用者包裹住，增强移动能力，比如《钢铁侠》中罗伯特·唐尼（Robert DowneyJr）所穿的钢铁套装或《异形》中西格妮·韦弗（Sigourney Weaver）所用的动力骨骼等。

 

沃尔什表示：“我认为它们看起来非常酷！”为此，沃尔什申请进入麻省理工学院深造，随着生物力学专家休·黑尔（Hugh Herr）学习。但是当沃尔什开始接触僵硬的外骨骼时，他发现对其感到很不满意。他说：“这就像装甲变成了机器人套装，但它同样坚硬、沉重，令人感到不舒服，而且并非总能随人类而动。”

 

为此，当沃尔什来到哈佛大学时，他成立了生物设计实验室，决定利用不同的方式解决这个问题。他说：“我立即发现，如果你使用更软的套装，可以支持你采取正确行动。此外，它穿起来更舒服，而且不会困扰到你。它具有巨大的生物医学应用价值。我开始想象：我们能够制作出可穿戴的软机器人吗？”

 

答案是肯定的。在同事特里·艾利斯（Terry Ellis）、路易斯·阿瓦德（Louis Awad）以及肯·霍尔特（Ken Holt）等人的帮助下，他们利用电子学、机械工程学、材料学以及神经学等知识，设计和制造出可帮助行走的巧妙设备：软外骨骼套装。实际上，它就是用特制的布料裹住某人的腿部肌肉。然后利用自行车刹车线制作成滑轮将其与绑腿相连，另一端则与病人背上的电源背包线缆相连。当穿戴着抬脚迈步时，电源包就会拉动缆线，从而帮助抬腿。当双脚交替行走时，另一条连接在鞋头的缆线就会拉紧，从而帮助抬起另一只脚，以便于其不会拖在地面上。

 

利用这种方法，无法再控制自己肌肉的人的情况就可以得到缓解。他们可以抬腿，重要的是保持脚趾向下，以便于不会被绊倒在地。简言之，他们可以再次恢复行走。沃尔什说：“在设计机器人设备时，设计关节非常重要。而我们的设备只有1个关节，非常容易控制。此外，我们尽量使用轻质材料，设备也更容易穿戴。”

 

最初，用于帮助穿戴者抬腿的滑轮使用手推车类似设备。沃尔什等人不断对其改进，减少电源包体积，令其穿起来更舒服。这套套装重约4.5公斤，沃尔什希望将来能够进一步减重。此外，电源包还配有IMU，用于分析脚部运动产生的力量，随之提高或降低刹车线滑轮。这些传感器必须以毫秒级的精确度工作。

 

测试已经取得成功，中风患者穿戴软外骨骼套装在跑步机上行走时，情况得到明显改善。适应套装后，他们不再紧紧抓着离合器和扶手，动作也越来越快，越来越自信。沃尔什说：“我们并非说这套套装是移动障碍的唯一解决方案，还有各种各样的硬外骨骼套装适用于完全瘫痪的人。但是对于病情不严重的人来说，软机器人套装是更好的选择。”

 

每年，仅在英国就有11万人患上中风，尽管大多数人能够幸存下来，但中风已经成为仅次于心脏病和癌症的第三大杀手。许多中风患者往往会远离社交活动，更喜欢待在家里，也不愿意锻炼。沃尔什等人希望他们的研究能够改善这种情况。

 

中风患者无需时刻穿着软外骨骼套装，而是当他们需要离家外出时才穿上。这款设备也可用于理疗，帮助患者恢复行走能力。随着时间发展，沃尔什及其团队希望能在3年内将原型产品推向市场。软外骨骼套装不仅可帮助中风患者，还能帮助脑瘫、老年痴呆症、多发性硬化症、帕金森病等患者。沃尔森说：“当肌肉无法产生足够支持人类行走的力量时，可穿戴的软机器人可以帮助他们。”