研究人員把注意力放在了研發(fā)讓癱瘓患者重新站立行走的機器人身上，如果能攻克技術(shù)難題、完成這一任務(wù)，無疑是劃時代的壯舉   《財經(jīng)》記者 呂方銳/文

 

在北京大學校園的一角，坐落著北京市智能康復(fù)工程技術(shù)研究中心，工程師周亞雷坐在一堆箱子中間，正試圖把幾個定制零件拼裝在一起。在他身后的架子上，掛著一個機器人，上半身像一個背包，下半身是兩條機械腿。這是他們最新研發(fā)的外骨骼機器人。

　　

機器人（Robot）是指自動執(zhí)行工作的機器裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動，來協(xié)助或取代人類的工作。

　　

周亞雷在制做的外骨骼機器人，是為了幫助癱瘓病人走路?；颊甙蜒b置上半部分背在身上，機械腿綁在雙腿外側(cè)，利用機械結(jié)構(gòu)的支撐和電動機的運轉(zhuǎn)，患者就可以重新站立行走。

　　

《全球疾病負擔》(Global Burden of Disease)估計，全球約9.75億人(19.4％)患有殘疾。其中約1.9億人(3.8％)有“嚴重的殘疾”——諸如四肢癱瘓、嚴重的抑郁癥或失明。

　　

Rewalk、Ekso和Cyberdyne等企業(yè)是醫(yī)療外骨骼機器人領(lǐng)域的先行者，國內(nèi)也有電子科技大學、中科院深圳先進技術(shù)研究院和北京大學等科研院所在進行相關(guān)研究。他們希望，能利用醫(yī)療將外骨骼機器人帶給更多的癱瘓病人。

　　

如果真的能讓所有癱瘓患者重新站立行走，無疑是劃時代的壯舉。但在完成這個任務(wù)之前，外骨骼機器人必須要解決自身的技術(shù)難題。

  癱瘓病人的行走夢  

24歲的林寒，在2013年不慎從四樓摔下導致脊髓損傷，下肢失去了運動能力。

　　

林寒告訴《財經(jīng)》記者，他曾多次試圖擺脫輪椅，但膝蓋無法支撐他的身體重量。他嘗試過傳統(tǒng)的康復(fù)訓練如針灸、力量訓練，效果并不好。

　　

2015年，林寒在四川省八一康復(fù)中心見到了電子科技大學開發(fā)的外骨骼機器人，當即報名成為試用者。

　　

外骨骼機器人最早在1965年由美國通用電氣公司和美國軍方合作開發(fā)，意圖輔助士兵進行軍事活動，增強士兵負重行軍的能力。后來多家商業(yè)公司和科研院所轉(zhuǎn)變研究方向，開發(fā)出了幫助癱瘓病人行走的醫(yī)療用外骨骼機器人。

　　

外骨骼機器人帶動患者行走，需要各部分的協(xié)調(diào)配合。

　　

首先，外骨骼機器人要通過傳感器捕捉到患者的行走意圖。“有的產(chǎn)品使用的是傾斜傳感器，它能監(jiān)測身體的前傾，利用重心的微妙變化來控制運動。”電子科技大學機器人研究中心執(zhí)行主任程洪教授告訴《財經(jīng)》記者。

　　

然后，外骨骼機器人就會運轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的電機，電機驅(qū)動連桿帶動人的雙腿邁出步伐。強有力的電動機能帶動患者行走，患者只需要用雙手拄拐杖保持平衡。

　　

為了讓患者走起來更加自然，工程師們將人的走路姿態(tài)劃分為幾個階段，比如，雙腿站立態(tài)、左腿擺動態(tài)和右腿擺動態(tài)，根據(jù)各個階段的運動特點，設(shè)定電機參數(shù)，使機械腿的走路姿態(tài)更接近人。

　　

邁動步伐時，患者雙手握拐杖，配合腳步交替撐地，進而保持身體平衡。經(jīng)過一段時間的適應(yīng)性練習后，很多患者可以比較熟練地行走。“林寒只用了一兩個月就能熟練掌握了。”電子科技大學機器智能研究所的博士生黃瑞說。

　　

外骨骼機器人的機械骨架，使用了高強度的合金材料，可以支撐患者身體的大部分重量。

　　

在很多中低收入國家，殘疾人能獲得的衛(wèi)生保健和康復(fù)等公共服務(wù)嚴重缺失，公共場所的無障礙設(shè)施也很少，殘疾人即使是從貨架上取東西、獨自上廁所這樣的小事都會成為巨大的挑戰(zhàn)。

　　

長久的輪椅和床榻生涯還給他們帶來多種疾病。醫(yī)學研究證實，長期臥床的癱瘓病人呼吸量減少，咳嗽動作減弱或消失，呼吸道分泌物排出不暢，易引發(fā)肺部感染；癱瘓患者長期缺乏運動，易造成關(guān)節(jié)強直、肌肉萎縮和形成血栓；癱瘓后肌肉收縮對骨的作用消失、患者鈣調(diào)節(jié)激素變化等因素，會造成骨質(zhì)疏松。

　　

因此，能讓這些患者站起來，獨自完成一些日常生活的瑣事，是一件了不起的事。

　　

 

在作為外骨骼機器人試用者幾個月后，林寒身穿外骨骼機器人，完成了第九屆全國殘疾人運動會的火炬?zhèn)鬟f任務(wù)。 價格、重量和易用性難兼顧  

林寒已經(jīng)能夠熟練使用外骨骼機器人活動，但他還是覺得自己身上的這套裝置有點重，達到21公斤。黃瑞和周亞雷等研究人員也承認，包括他們的產(chǎn)品在內(nèi)，市面上大多數(shù)設(shè)備重達幾十公斤，癱瘓患者無法長時間穿戴，在上下輪椅時需要頻繁地穿脫設(shè)備。

　　

“這已經(jīng)是能買到的最輕、最小的電機了，”周亞雷指著外骨骼膝關(guān)節(jié)上的電機告訴《財經(jīng)》記者，“電池的重量也受當前的技術(shù)局限，沒辦法再減輕。”

　　

國內(nèi)很多研究團隊研究重點在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、控制系統(tǒng)的研發(fā)上。電機、傳感器等配件是從專業(yè)廠家采購成品。“我們盡量在金屬材料上減輕重量。這些定制的部件用的是市面上最輕的合金材料。”周亞雷說。

　　

外骨骼機器人最主要的難點是輕量化。這依賴于很多相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，比如電機、電池等的輕量化。“我們希望最終能夠做成一個像眼鏡一樣方便長期佩戴的產(chǎn)品。”黃瑞表示。

　　

還有一個技術(shù)難點是，如何讓外骨骼機器人保持自我平衡。現(xiàn)在市面上的產(chǎn)品大多數(shù)都無法做到，還需要患者雙手支撐拐杖，這限制了其適用范圍。

　　

Rewalk的發(fā)明者高弗爾自己都無法使用Rewalk，因為他四肢癱瘓。“并非所有的醫(yī)用外骨骼都具有實現(xiàn)自平衡的條件，它們中的大部分僅僅驅(qū)動穿戴者的膝關(guān)節(jié)，不能完全影響穿戴者的下肢動作，無法實現(xiàn)自平衡。” 浙江大學機械工程學院副教授歐陽小平告訴《財經(jīng)》記者。

　　

外骨骼實現(xiàn)自平衡，即意味著機器人能夠判斷是否發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生失穩(wěn)，以及能夠?qū)ζ錂C械肢體（連同穿戴者肢體）做出運動控制。

　　

人體上半身的重量對重心位置有較大影響，為實現(xiàn)自平衡，外骨骼需要能夠觀測包括人體上半身在內(nèi)的重量分布。然而，這超出了醫(yī)療用下肢外骨骼機器人的作用范圍。

　　

在運動控制上，醫(yī)療外骨骼工作原理是驅(qū)動患者肢體按照設(shè)定的步態(tài)運動，從而協(xié)助患者恢復(fù)行走能力。但為了維持自平衡而進行的失穩(wěn)控制，則要求實時調(diào)整步態(tài)，與按照預(yù)設(shè)步態(tài)行走的使用要求相反。

　　

想要掌握外骨骼機器人的使用，還需要患者進行長期的訓練。美國退伍軍人事務(wù)部購買了多套Rewalk，用于幫助受傷軍人康復(fù)和鍛煉。該事務(wù)部主管康復(fù)研究的副主任斯龐根博士曾表示，適應(yīng)外骨骼機器人需要時間。而且并非所有的癱瘓病人都能夠完成Rewalk的使用訓練，有些人完全學不會。

　　

想要解決上述問題中的一個或兩個，并非不可能，但目前的技術(shù)水平，外骨骼機器人很難兼顧價格、重量和易用性。

　　

SuitX公司負責公關(guān)事務(wù)的蔡登博格向《財經(jīng)》記者提供的材料顯示，他們的產(chǎn)品大幅簡化了機械結(jié)構(gòu)，降低了制造成本，減輕了重量；各關(guān)節(jié)部分可以拆開單獨使用、銷售，提供給從事體力勞動的健康人，提高了銷量，平攤了研發(fā)成本。

　　

然而，這是以降低易用性為代價的。

　　

黃瑞認為，這款設(shè)備為了降低成本，減輕重量，犧牲了步態(tài)的自然性，去掉了上下樓梯等功能?；颊咝枰度敫鄷r間去練習才能熟練使用該產(chǎn)品。

　　

林寒和電子科大團隊寄希望于技術(shù)升級解決上述問題。黃瑞所在團隊在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)使用場合對電機功率的要求并不高，因此他們正在研發(fā)的下一代產(chǎn)品，選用了功率更小的電機，同時簡化了機械結(jié)構(gòu)。

　　

這兩項改變預(yù)計可以使產(chǎn)品減重7公斤。針對不同患者的病情需要，采用產(chǎn)品定制化的方式，取消部分多余的功能和結(jié)構(gòu)，可以一定程度上兼顧價格和易用性。

　　

不過，考慮到功能性和易用性，以目前的技術(shù)水平，重量和價格只能盡量兼顧。 如何賣出去  

林寒最近忙于幫助團隊收集使用數(shù)據(jù)，編寫使用手冊，協(xié)助團隊改進產(chǎn)品。他期待下一代產(chǎn)品能讓他更加自如地行走。如何讓更多的林寒們獲得行走的機會，就需要考慮如何讓實驗室產(chǎn)品商業(yè)化。

　　

由于國內(nèi)相關(guān)研究大多以科研為目的，立項早期普遍缺乏商業(yè)化考慮。因此，國內(nèi)研發(fā)的產(chǎn)品市場化率明顯低于國外企業(yè)。

　　

“我們正在和醫(yī)療機構(gòu)合作，免費提供產(chǎn)品給患者使用。同時我們的產(chǎn)品也在走認證程序。通過認證，產(chǎn)品就可以銷售了。”程洪表示。

　　

將外骨骼機器人產(chǎn)品通過認證，是商業(yè)化的關(guān)鍵一步。

　　

國產(chǎn)醫(yī)療用外骨骼機器人作為醫(yī)療器械，應(yīng)向國家食品藥品監(jiān)督管理總局（下稱食藥監(jiān)總局）申請認證。由于該產(chǎn)品較為前沿，還沒有專門的標準，食藥監(jiān)總局先要對其進行分類，之后進行檢驗、臨床測試，最后才能認證。

　　

研究人員們在等食藥監(jiān)總局的分類結(jié)果，目前，還沒有國產(chǎn)產(chǎn)品通過認證。程洪團隊是首個產(chǎn)品進入認證流程的團隊。

　　

在臨床測試中，他們發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)外骨骼機器人的商品化，難點在于打消患者對安全性的顧慮。很多患者長期缺乏運動，下肢已經(jīng)沒有知覺。他們在使用產(chǎn)品時，感覺身體像飄在空中一樣，沒有安全感。但經(jīng)過一兩個月時間的訓練，患者下肢都慢慢恢復(fù)知覺，可以有意識地控制外骨骼機器人，對于安全性的顧慮才能有所消除。

　　

即便是通過認證，目前看已經(jīng)上市的國內(nèi)外產(chǎn)品，銷量都還不理想。

　　

Rewalk作為首款通過美國食品和藥品管理局（FDA）認證的外骨骼機器人，2015年全年，其生產(chǎn)商Rewalk Robotics公司的營業(yè)總收入374.6萬美元。即使將營收全部換算，按照每套設(shè)備售價7萬美元計算，Rewalk去年全年也只賣出50多套。

　　

根據(jù)美國殘疾統(tǒng)計中心的數(shù)據(jù)，超過680萬美國居民在使用輔助裝備行動，其中包括170萬使用輪椅或代步車的患者，以及610萬使用其他移動裝置（如拐杖、手杖等）的用戶。

　　

銷量和癱瘓病人的龐大數(shù)量形成鮮明反差。“目前也有一款外骨骼可以做到自平衡，叫REX。當然，自平衡的代價是很大的，首先需要在結(jié)構(gòu)上做得非常龐大，因為其關(guān)節(jié)構(gòu)造更加復(fù)雜；其次是在控制算法上也有很高的要求。這類產(chǎn)品體積龐大、售價高昂，在市場上沒有優(yōu)勢。”黃瑞表示。

　　

貴，在于制造成本高。合金材料，要不規(guī)則形狀制造，電機需要定制，這些都會提高成本。據(jù)黃瑞介紹，他們研發(fā)的外骨骼機器人所用的電機，一個就要好幾千元。一套外骨骼機器人，僅電機和定制部件的成本就達到10萬元左右。

　　

REX售價約15萬美元；結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低的Rewalk售價約7萬美元；市面上價格最低的是SuitX公司推出的“鳳凰”，價格約4萬美元。國產(chǎn)產(chǎn)品的價格更具優(yōu)勢。

　　

在材料上，國內(nèi)外都是采購的工業(yè)成品，成本相差不大。國產(chǎn)產(chǎn)品免去了關(guān)稅，同時在人員成本等研發(fā)費用上更占優(yōu)勢。程洪透露，他們的產(chǎn)品上市后，價格有望降到20萬元以下。

　　

但這樣的價格仍然是一般人難以承受的，更何況大部分癱瘓患者沒有工作收入。從事醫(yī)療器械推廣的李鍇告訴《財經(jīng)》記者，他看好外骨骼機器人的前景，但目前來說產(chǎn)品太貴了，他還不考慮涉足。

　　

這又回到了老問題上，如何做到價格、重量和易用性兼顧，能讓大多數(shù)癱瘓病人用上一款合適的產(chǎn)品，需要研究人員和市場的共同作用。

 

（本文首刊于2016年7月25日出版的《財經(jīng)》雜志）

 

來源：財經(jīng)雜志