重新行走成真 残障人士穿上钢铁骨骼

曾在无数影视作品中出现的外骨骼,正成为让无数瘫痪患者重新行走的“铠甲”。2013年,北京航空航天大学帅梅团队研发出国内首个外骨骼机器人。2016年,大艾机器人宣告成立。经历十多年的深入研发和市场化后,外骨骼机器人这一“黑科技”已从高校实验室走入了广阔的康复市场,并获得中国第一个外骨骼二类创新医疗器械、第一个医疗器械注册证,改变了截瘫、偏瘫、脑瘫等重大恶性疾病几乎无法康复的困境。在外骨骼机器人的帮助下,截瘫患者不仅重新感知到双腿的存在,甚至还完成了全程马拉松距离的行走。目前,全国已有200—300家医院引入了大艾外骨骼机器人,每台机器每天可帮助约16位病人进行康复训练,大大提升了康复效率。

穿戴外骨骼走完马拉松

在北京市南三环附近,一家并不引人瞩目的康复中心坐落在居民楼之间。康复中心里,摆满了各种型号的“钢铁骨骼”,这些“钢铁骨骼”能帮助脑卒中、偏瘫、截瘫、脑瘫等患者进行下肢行走康复训练。一个周五下午,北京商报记者在这里见到了正在进行康复训练的邵海朋。

2017年,因为一场意外,邵海朋从高空坠落,紧急送医后他被判定为脊髓损伤导致的双下肢截瘫。

在邵海朋的讲述中,困在轮椅上只是故事的前半段。一次偶然的机会,邵海朋从康复师处了解到,北京有一家公司研发了最新的外骨骼机器人,能够帮助截瘫患者康复。这家公司正在招募临床试验志愿者。抱着试试看的心态,邵海朋来到了北京。在机器的加持下,不到一个月的时间,邵海朋下半身失去的感知慢慢回来了,他开始能感受到大腿肌肉的收缩。

看到希望的邵海朋,在实验结束后再次联系了这家名为大艾机器人的外骨骼机器人公司,并开启了当时还鲜有人尝试的外骨骼康复训练。7年后的今天,借助外骨骼机器人技术,邵海朋已经可以依靠自己发力独立行走。

2018年,邵海朋还穿戴外骨骼机器人走完了全程马拉松,总计用时9天、净用时26小时的成绩还获得了第一名,并打破了国外15天走完机器人行走马拉松的世界纪录。

像邵海朋一样,借助外骨骼技术重新开始行走的偏瘫、截瘫患者已经越来越多。北京航空航天大学教授、大艾机器人创始人兼董事长帅梅告诉北京商报记者,作为国内最早一批关注外骨骼领域的科创企业,大艾机器人的外骨骼机器人产品已应用至全国的200—300家医院。以北京为例,目前已有超40家医院配备了大艾外骨骼机器人作为康复设备。

帅梅表示,外骨骼机器人的出现,不仅让患者重新行走,还提升了现有的康复效率。以一家医院采购两台外骨骼机器人康复设备来计算,每天每台设备至少可帮助16—17位病人进行康复训练,与当前以康复师为主的康复模式相比,大大提升了效率和疗效。

“医工结合”的代表

从外骨骼领域的研究历史来看,国外的研发开端要早于国内近十年。全世界第一台可直立行走的外骨骼机器人于2000年诞生在瑞士。彼时,国内对外骨骼领域的研究几近于零。2010年,在北京航空航天大学任教的帅梅开始投入对外骨骼机器人的研究。

据了解,外骨骼是在人类本身的骨骼之外,用外部动力源驱动的另外一副骨骼。在带动人行走时,需要让外骨骼达到仿人效果,由此,通过步态算法模拟康复步态成了研发中最核心的技术。

帅梅称,从组成结构来看,外骨骼实际上是金属结构产品,灵活度并不高。当其作用在人身上时,自由度难以模拟真人效果。

看到这一实际情况,帅梅及团队在研发过程中对原本构想中的外骨骼机器人做了简化,将重点放在了髋关节和膝关节上,通过进行两个绕水平面的旋转运动,控制抬腿及落地姿态,即行走姿态。同时通过建立下肢肌肉—骨骼仿生机器人的动力学模型,实现基于力、位置混合柔顺控制的下肢外骨骼机器人稳定行走控制。

2013年,帅梅团队研制出第一代外骨骼机器人。2016年,大艾机器人正式成立。发展到今天,大艾机器人已开发出六个系列、十余款外骨骼机器人产品。曾经在高校实验室里才能见到的“钢铁骨骼”走向了市场。

作为“医工结合”的代表产品,外骨骼机器人的研发并非一劳永逸,还需在市场检验下开展进一步探索。在实际应用时,为让外骨骼机器人适用于更多病症、更长病程,大艾机器人在腰髋部位加了一个安全的平衡移动台架,提高产品在临床应用中的安全行走性、平衡性、移动性以及康复疗效,这一设计为全球原创。

在成本上,由于外骨骼机器人材料成本较高,且需要精准匹配病人,医疗版外骨骼机器人的价格动辄百万元,并不适合家用。为降低成本,满足个人需要,大艾机器人近年也开始研发个人版外骨骼机器人。目前,大艾机器人已上市的个人版产品价格从2万多元至16万元不等。按用途划分,这些外骨骼机器人可应用于日常康复和精细化康复。

低价化、轻量化、AI化

尽管国产外骨骼机器人起步较晚,但这一领域面向的,却是近两千万的肢残人口和日益增长的老龄化群体,需求缺口较大。国家统计局数据显示,截至2023年,我国肢体残疾人口总数为1735.5万人。多数肢残人不能行走、不能站立、长期卧床。外骨骼机器人技术的出现,对他们来说,是能拥有一次重新行走的机会。

在帅梅看来,外骨骼机器人技术对康复领域的意义不仅是实现了从0到1的跨越,也有从1到100的飞跃。在外骨骼机器人出现前,不少疑难重症的偏瘫患者在医院里通过传统康复方式训练多年,但收效甚微。而在使用外骨骼机器人介入训练后,不少患者仅需6—9个月左右的时间,便可实现在机器辅助下的独立行走,并能保持正确步态,不会出现行走能力的回退。

北京商报记者注意到,为减轻患者康复的经济压力,使用外骨骼机器人的康复训练项目已被纳入北京医保甲类。

谈及下一步的技术创新及产品研发,帅梅将目光放在了更加普惠和智能化的个人版外骨骼产品上。很多用户在大艾的康复中心进行训练后,都萌生了将产品带回家的念头。对此,她希望能在对产品进行进一步创新的基础上,进一步实现产品的低价化、轻量化和AI化。

在智能化方面,帅梅介绍,随着当前人工智能和机器学习技术的不断进步,外骨骼机器人将朝着更加智能化的方向发展。新产品将能够实时关注监测穿戴者的运动状态和康复进度,自动调整助力策略,适应患者在康复过程中的功能变化。具备AI自我学习能力的外骨骼,还将能更好地辅助不同类型和程度的脊髓损伤或脑损伤患者。

目前,大艾机器人已推出新一代AI外骨骼机器人产品。通过AI“具身智能技术”,机器人能精准感知到穿戴者的运动意图和步行情况。同时,这一代产品相比之前也更加轻便。

在帅梅看来,未来,AI外骨骼机器人在医疗康复、老年护理以及大健康领域具有巨大的应用潜力。

通过外骨骼机器人技术让更多人重新行走,这是大艾机器人和帅梅的下一步目标。已经重新行走起来的邵海朋,也给自己定下了未来的计划:他希望能制作一辆助力脚踏车,经由新贯通的三条国道,边看风景,边沿着中国版图走一圈。

北京商报记者 赵博宇