研究人員把注意力放在了研發讓癱瘓患者重新站立行走的機器人身上，如果能攻克技術難題、完成這一任務，無疑是劃時代的壯舉   《財經》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工程技術研究中心，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。這是他們最新研發的外骨骼機器人。

　　

機器人（Robot）是指自動執行工作的機器裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動，來協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。患者把裝置上半部分背在身上，機械腿綁在雙腿外側，利用機械結構的支撐和電動機的運轉，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等企業是醫療外骨骼機器人領域的先行者，國內也有電子科技大學、中科院深圳先進技術研究院和北京大學等科研院所在進行相關研究。他們希望，能利用醫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。但在完成這個任務之前，外骨骼機器人必須要解決自身的技術難題。

  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》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。他嘗試過傳統的康復訓練如針灸、力量訓練，效果并不好。

　　

2015年，林寒在四川省八一康復中心見到了電子科技大學開發的外骨骼機器人，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，意圖輔助士兵進行軍事活動，增強士兵負重行軍的能力。后來多家商業公司和科研院所轉變研究方向，開發出了幫助癱瘓病人行走的醫療用外骨骼機器人。

　　

外骨骼機器人帶動患者行走，需要各部分的協調配合。

　　

首先，外骨骼機器人要通過傳感器捕捉到患者的行走意圖。“有的產品使用的是傾斜傳感器，它能監測身體的前傾，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行主任程洪教授告訴《財經》記者。

　　

然后，外骨骼機器人就會運轉關節處的電機，電機驅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劃分為幾個階段，比如，雙腿站立態、左腿擺動態和右腿擺動態，根據各個階段的運動特點，設定電機參數，使機械腿的走路姿態更接近人。

　　

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。經過一段時間的適應性練習后，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，殘疾人能獲得的衛生保健和康復等公共服務嚴重缺失，公共場所的無障礙設施也很少，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。

　　

長久的輪椅和床榻生涯還給他們帶來多種疾病。醫學研究證實，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，易引發肺部感染；癱瘓患者長期缺乏運動，易造成關節強直、肌肉萎縮和形成血栓；癱瘓后肌肉收縮對骨的作用消失、患者鈣調節激素變化等因素，會造成骨質疏松。

　　

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傳遞任務。 價格、重量和易用性難兼顧  

林寒已經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，包括他們的產品在內，市面上大多數設備重達幾十公斤，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備。

　　

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

　　

國內很多研究團隊研究重點在機械結構的設計、控制系統的研發上。電機、傳感器等配件是從專業廠家采購成品。“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。這依賴于很多相關技術的發展，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品。”黃瑞表示。

　　

還有一個技術難點是，如何讓外骨骼機器人保持自我平衡。現在市面上的產品大多數都無法做到，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。“并非所有的醫用外骨骼都具有實現自平衡的條件，它們中的大部分僅僅驅動穿戴者的膝關節，不能完全影響穿戴者的下肢動作，無法實現自平衡。” 浙江大學機械工程學院副教授歐陽小平告訴《財經》記者。

　　

外骨骼實現自平衡，即意味著機器人能夠判斷是否發生或將要發生失穩，以及能夠對其機械肢體（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，為實現自平衡，外骨骼需要能夠觀測包括人體上半身在內的重量分布。然而，這超出了醫療用下肢外骨骼機器人的作用范圍。

　　

在運動控制上，醫療外骨骼工作原理是驅動患者肢體按照設定的步態運動，從而協助患者恢復行走能力。但為了維持自平衡而進行的失穩控制，則要求實時調整步態，與按照預設步態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。美國退伍軍人事務部購買了多套Rewalk，用于幫助受傷軍人康復和鍛煉。該事務部主管康復研究的副主任斯龐根博士曾表示，適應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公司負責公關事務的蔡登博格向《財經》記者提供的材料顯示，他們的產品大幅簡化了機械結構，降低了制造成本，減輕了重量；各關節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，平攤了研發成本。

　　

然而，這是以降低易用性為代價的。

　　

黃瑞認為，這款設備為了降低成本，減輕重量，犧牲了步態的自然性，去掉了上下樓梯等功能。患者需要投入更多時間去練習才能熟練使用該產品。

　　

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

　　

這兩項改變預計可以使產品減重7公斤。針對不同患者的病情需要，采用產品定制化的方式，取消部分多余的功能和結構，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據，編寫使用手冊，協助團隊改進產品。他期待下一代產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品商業化。

　　

由于國內相關研究大多以科研為目的，立項早期普遍缺乏商業化考慮。因此，國內研發的產品市場化率明顯低于國外企業。

　　

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

　　

將外骨骼機器人產品通過認證，是商業化的關鍵一步。

　　

國產醫療用外骨骼機器人作為醫療器械，應向國家食品藥品監督管理總局（下稱食藥監總局）申請認證。由于該產品較為前沿，還沒有專門的標準，食藥監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總局的分類結果，目前，還沒有國產產品通過認證。程洪團隊是首個產品進入認證流程的團隊。

　　

在臨床測試中，他們發現，國產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，下肢已經沒有知覺。他們在使用產品時，感覺身體像飄在空中一樣，沒有安全感。但經過一兩個月時間的訓練，患者下肢都慢慢恢復知覺，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，目前看已經上市的國內外產品，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，其生產商Rewalk Robotics公司的營業總收入374.6萬美元。即使將營收全部換算，按照每套設備售價7萬美元計算，Rewalk去年全年也只賣出50多套。

　　

根據美國殘疾統計中心的數據，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，首先需要在結構上做得非常龐大，因為其關節構造更加復雜；其次是在控制算法上也有很高的要求。這類產品體積龐大、售價高昂，在市場上沒有優勢。”黃瑞表示。

　　

貴，在于制造成本高。合金材料，要不規則形狀制造，電機需要定制，這些都會提高成本。據黃瑞介紹，他們研發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；結構更簡單、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。國產產品的價格更具優勢。

　　

在材料上，國內外都是采購的工業成品，成本相差不大。國產產品免去了關稅，同時在人員成本等研發費用上更占優勢。程洪透露，他們的產品上市后，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。從事醫療器械推廣的李鍇告訴《財經》記者，他看好外骨骼機器人的前景，但目前來說產品太貴了，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，能讓大多數癱瘓病人用上一款合適的產品，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》雜志）

 

來源：財經雜志