虽然柔性外骨骼不像机械外骨骼那样适合重型任务,但是对于那些能下床活动但速度慢、易疲劳以及髋关节玩去伸展受限制的中风患者,还有那些需要背负重物的健康人而言,是一大福音。最近两年,柔性外骨骼得到了很大的发展,目前美军花费290万美元委托哈佛大学开发的柔性外骨骼(Soft Exosuit)已进入测试阶段,美国SRI国际公司的超柔(SuperFlex)外骨骼则开始计划产业化,软软的像条普通牛仔裤的XoSoft也正在完善产品原型……

哈佛测试新款柔性外骨骼Soft Exosuit

机械外骨骼虽然帮助许多人重圆站起来到处行走的梦想,但是它又笨又重,穿戴者容易疲劳,而且机械外骨骼动起来之后与人类行走方式也有差别,如果长期佩戴,脱下后恐怕就不会正常走路了。而测试中的Soft Exosuit可以一次解决这两大问题,同时还能在行走时降低用户23%的代谢值。

生物设计实验室机器人专家的目标是用外骨骼给中风患者提供最大帮助。Quinlivan表示:“脚踝的运动需要潜在肌肉组织的力量。”从生理学上来说,行走时脚踝要发生背屈,但垂足病人通常小腿前腔室肌肉无力。所以,该实验室的研究人员就希望从外部为病人提供这股力量。他们利用钢丝绳、特制的鞋子和小腿护带将测试人员的脚后跟和小腿连在一起。

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不过,这样用力的还是脚踝,但真正高效的步伐需要调动全身的肌肉和膝盖处的肌腱,并通过臀部来稳定腿部动作。所以,研究人员又做了一个骨盆带,随后用袜带将其与脚踝带相连(每个腿用两条袜带)。完成生物连接后,研究人员为整套系统安装了传感器,它们能探测测试人员的峰值消耗,并在正确时刻为测试人员提供摇摆辅助。

整套柔性外骨骼设计完成后,七位测试人员(健康人)全部穿戴整齐开始在跑步机上接受测试。研究人员重点测试了他们在四级机械辅助下(提供10%-38%的脚踝助力)的代谢率,结果显示这套系统最大能降低测试人员23%的代谢率。

当然,这款产品的糟点也还不少,如果带上驱动电机和电池,这款柔性外骨骼的重量会从2.2磅飙升至17磅(约合7.7公斤),重量会成为用户的一大负担。除了要解决整套外骨骼的重量问题,研究人员还在寻找外骨骼是如何帮助测试人员降低代谢率的,毕竟脚踝摆动辅助器只能轻微的改变用户的行走姿态。

辅助老年人行走和士兵负重的“超柔”(SuperFlex)外骨骼

美国SRI国际公司推出的可用来辅助老年人行走和士兵负重的“超柔”(SuperFlex)外骨骼重量约为8磅(合3.63千克),电池重3磅(合1.36千克);集成了几项创新性系统:柔性支架(Flex Grip),柔性驱动(Flex Drive),柔性控制(Flex Control)系统,以及e-Flex系统。柔性支架系统可使力均匀分布在腿上;柔性驱动系统是一系列弯曲时会变短的细绳,目前样机已能够顺利激活约100万次;柔性控制系统的电薄片控制器不仅使用了弹性材料,还使用了4D材料,能够在关闭时改变力学性能,重量仅几克,能在低电流下应用高电压时从柔性材料转变为硬质材料;e-Flex系统是一种刚度可变的轻型电控弹簧,能够存储能量,并限制运动范围,避免损伤或疲劳。

这种柔性外骨骼采用运动传感器、加速计和陀螺仪来读取穿戴者腿部的速度和角度,并据此实时调整。传感器可预知穿戴者的运动,能在精确的时间内根据需求启动外骨骼,与始终需要启动或驱动的外骨骼相比,电池使用寿命更久。在负重或辅助老年人行走时,这种柔性外骨骼还可向用户的腿部、手臂或躯干提供一定的支承力。

软软的XoSoft像条裤子

在欧盟Horizon 2020 Research and Innovation Programme的大框架指导下,一个跨领域国际研究团队开始研发一款像裤子一样可以穿的软体仿生外骨骼XoSoft。来自欧盟七国的九个组织参与了这个极具开创性的民间研发项目,他们想要在2019年之前研发出功能完善的产品原型。

XoSoft和美国雷神公司研发的SarcosXOS2军用外骨骼、Ekso Bionics研发的Ekso Works相比,最大的不同就是:它是软的。是的,它就像一条普通的牛仔裤一样柔软。穿上这个像牛仔裤一样的下肢外骨骼,老年人和残疾人们的自主活动能力能得到极大提高,健康状况和生活质量也会得到一定程度的改善。这个外骨骼采用先进的纺织面料和智能材料来打造感应器和刚性接头,内置的感应器能感应到用户的动作和意图,从而控制各种单元进行实时分析,然后通过促动器提供合适的辅助。也就是说,外骨骼提供什么形式的辅助完全取决于用户在某个瞬间的需求。

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XoSoft的研究团队将他们的工作计划分成了九大步骤。第一步,分析用户需求,设计系统具体规格,为后续科研活动打基础;第二步是以用户为主导的产品设计,其中又包括了四个细分步骤:基于智能材料和纺织面料的感应器设计、促动器技术研发、识别用户动作和意图的系统控制技术研发、实验室环境下的整体聚合以及监控反馈系统的建立;接下来是第七步,在这个环节中,研发团队会再次验证用户需求,然后在临床和居家测试中评估产品原型的成熟度;第八步,让广大公众参与到研发后期的产品宣传以及广告推广中;第九步则是项目的管理和合作统筹。

2019年真能见到完善版的XoSoft吗?值得期待!

柔性外骨骼对中风患者的意义

据卫报报道,每年英国都有约 11 万人遭受中风。大多数患者能活下来,但中风仍旧是英国第三大死亡原因,仅次于心脏病和癌症。中风发生的原因是脑部血液输送的中断,这通常是由血液凝结块或者血管爆裂引起。中风会影响肌肉的工作。英国中风协会指出,大脑通过神经向肌肉传递命令信号,来使肌肉动作。中风给大脑造成损伤,也打断了这些信号。典型的中风症状包括足下垂和软弱无力没精神(老中医:肾虚)。病人感到疲劳并且动作笨拙,这让他们更难以控制肢体动作。

哈佛大学Wyss生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)也参加了这个柔性外骨骼项目。它的研究员Ignacio Galiana说“中风患者往往选择远离社会,他们不再外出,不再参加社交活动,甚至孙子的运动会也不再去。他们选择待在家里,不再锻炼身体,因为这耗费精力也很累。他们从我们的世界中消失。通过让他们能再次行走,我们希望能不再让这样的情况发生。”

柔性外骨骼的设计目标并不是全天的穿戴,而是让中风患者每天能穿着它出去溜达几个小时,不至于精疲力尽。这个设备应该也能在帮助患者重新行走的康复理疗中派上用场。Walsh 说:“这是一个能极大加速、延伸中风患者康复过程的工具。有了柔性外骨骼,患者们不再需要考虑怎么行走,这会变得更自然,就像他们中风前一样。”

至于临床应用的日期,Walsh 展望他的团队能够在三年左右把原型机推向市场。柔性外骨骼并不会局限于帮助中风患者。Walsh 补充道:“脑瘫,阿兹海默症(老年痴呆症),多重硬化症,帕金森症,老年行动不便等情况全都可以从这副设备获益。当肌肉不再有足够的力量让人走动,柔软的、可穿戴的机器人会帮助他们。”

柔性外骨骼售价大猜想

在机械外骨骼产品刚刚推出市场时,日本一家客制化机器人研发公司“佐川电子株式会社”推出的第一款“动力外骨骼”(Powered exoskeleton又称为Powered suit) 限量生产5台,售价高达75万人民币。

后来,随着各项技术的发展,机械外骨骼的售价逐渐走低,ReWalk的外骨骼售价7万美元,凤凰机械外骨骼更是仅要4万美元。不过相对于个人而言,这些产品的售价依然昂贵,且无法医疗保险,限制了它的销路,最后为其买单的还是医院和康复中心。

相对而言,柔性外骨骼更轻便易用,更适合在家里使用,如果价格能更低一些,或许这个行业会爆发。

柔性外骨骼的售价多少你会考虑购买呢?人民币1万?5万?10万?