科幻电影里的机器人假肢已经照进现实

来源：机器人大讲堂

编辑：Jack

排版：麦子

20日晚，在卡塔尔世界杯开幕式上，一个身有严重残疾，胸部以下几乎缺失的卡塔尔人一亮相就赢得全场欢呼。一直以来，人们对坚强不屈的肢体残障人士都深怀敬意，而提高这类人群的行动能力也一直是全球医疗康复行业致力于解决的问题。

据统计，截止2020年，全球约有6亿5千万残疾人, 约占世界人口10%. 其中美国约有300,000名截肢者，即每1000人中约有1.5名截肢者。中国约有2412万肢体残疾人士，其中截肢者226万。近两年的统计数据显示，我国每年因交通、工伤、矿山事故和疾病等原因导致的新截肢人数约为20万人，而且近年来因糖尿病截肢的人数也在迅速增加。

好消息是，科技的发展解决了很多人们的后顾之忧。尤其随着机器人与人工智能相关技术的兴起，北美、欧洲和亚洲的科学家以及工程师在医疗康复研发领域取得了令人瞩目的新进展。

其中，人工智能假肢（机器人假肢）就是备受关注且成果不断的领域之一。

*图片来源：密西根大学Neurobionics lab

▍技术带来的假肢变革

统计数据表明，全球肢体残疾人士当中只有39.8% 安装了传统假肢。

传统假肢的众多局限是大多数人拒绝安装的原因。

例如随着使用者年龄的增长和体重的变化，传统假肢需要定期保养和更换。又例如传统假肢只能以单一的、静态的模式给使用者提供支撑力，因此使用者的其他身体部位往往需要与刚性的假肢相配合，才能完成行走、站立等动作。

同时，由于大多数安装假肢的使用者行动能力有限，使用传统假肢后反而更容易动作不协调，出现跌倒和其他并发症，给他们的日常生活带来更多的困难和挑战。

此外，传统的假肢主要通过开关切换控制，使用起来就像操控复杂的机械，学习时间长、操控体验差，某种程度上，是“人在配合机器”。

近年来，医学和人工智能技术的快速发展，使得肌无力、肌肉萎缩或偏瘫的患者开始有机会使用更高效可靠的智能假肢和智能外骨骼等医疗辅助器械，来帮助他们重新站立或移动，这无疑创造了巨大的市场机会和社会意义。

与传统假肢不同，当前快速兴起的人工智能假肢一个很明显的改变在于开始配备了力控制单元。这使得人工智能假肢的控制单元可以感知路况和体态的变化，实时为患者提供主动而非被动的动态平衡支持，让他们行动更自由，生活质量也能随之大大提高。

本文选取了目前全球两款新型假肢的代表研究成果进行分析，一个是由密西根大学Elliott Rouse教授领导的Neurobionics实验室开发的开源智能假肢，另外一个则是Robert Gregg教授领导的Locomotor control system实验室开发的动力膝踝关节假肢。

从图中他们的研究成果可以看到，通过实时的力控制和精确的力反馈，两款产品其实很明显已经朝着智能化大幅迈进。穿戴这款智能假肢的试验者能轻松保持肢体平衡，并且能流畅自如、甚至是与正常人体态无异地完成起坐、行走、爬梯等动作。

我们再来看一个更加直观的视频：

*视频来源：密西根大学Locomotor control system lab

Rouse教授介绍，这个项目旨在提供一个开源硬件平台，帮助其他研究人员减少硬件开发流程，加速智能假肢控制软件的开发。从2019年推出至今，已经有十几个研究队伍进行了基于这款智能假肢的控制算法研究。其中，Alejandro Azocar博士的设计和临床实施研究成果，在《自然》杂志发表。

▍核心技术解析

从传统假肢快速进阶到智能假肢的关键部件之一就是力控制单元。

由于路况的复杂性、姿态的多变性，要实现智能假肢的力控制，往往需要六维力传感器同时测量三维空间里多个方向上的力和力矩，从而实时感知路况变化，精确控制力的大小。此外，可穿戴器械对于零部件的体积和重量有极高的集成限制，这对于六维力传感器的性能提出了很高的要求。

要实现满足智能假肢要求的性能，不仅要六维力传感器满足力和力矩的量程范围，而且要超小，超轻、超薄。但据北美研发者用户反馈，经过他们的市场调研，目前市场上只有极少数六维力传感器能够满足这些性能要求。如前文提到密大开源智能假肢，搭载的就是宇立M35xx系列的明星产品M3564F，这也是市场上能找到为数不多已经实现量产的成熟产品。

据了解，宇立的这款M35xx超薄系列包括18个型号，厚度均小于1cm，最小的仅7.5mm厚。

但令人震惊的是，在极薄的设计中，这一产品型号的重量均小于0.26kg，最轻仅0.01kg。另一性能关键指标精度指标非线性和迟滞仅为 1%，串扰小于 3%。

机器人大讲堂从宇立处了解到，之所以能够达到如此薄轻、紧凑的卓越性能，得益于宇立设计团队在汽车安全碰撞假人传感器领域30 多年的设计经验。“碰撞假人是在汽车研发过程中，通过碰撞实验，来检测安全设备对驾驶员和乘客的保护性能。如今，这些技术又被用于智能假肢的研发，在未来为残疾人士的安全保驾护航。”宇立仪器研发人员解释道。

同时，不少国外的研究者表示， SRI 六维力传感器在价格上，与其他国外制造商相比更是非常具有竞争力。

在此之前，SRI凭借技术实力和实惠的价格，在行业里未做宣传就树立了口碑，深受国内外顶级医疗康复研究实验室和机器人假肢行业的喜爱。据了解，目前，在美国密西根大学，西北大学，卡内基梅隆大学，佐治亚理工学院，弗吉尼亚理工大学，德州大学，犹他州大学，北卡州立大学，纽约城市大学，加拿大的谢布鲁克大学，布鲁克大学，国内的哈尔滨理工大学等等高校的康复医疗和仿生学研究团队的研发成果中，都能看到宇立六维力传感器的身影。

这得益于具有创新精神的宇立团队一直以来都热衷于支持科研，并希望看到六维力传感器技术能在不同领域发挥作用。

2018年，宇立创始人兼CEO黄约博士拜访Neurobionics实验室，给Elliott Rouse教授的团队做技术支持，并在密西根大学工程学院主持了一场关于六维力传感器的研讨会。