美國漫威漫畫公司旗下塑造的超級英雄——鋼鐵俠托尼·史塔克，在物理學(xué)家協(xié)助下，利用方舟反應(yīng)爐作為能量運轉(zhuǎn)來源，制造了一套裝甲殺出重圍后逃脫，得以化解各種危機，后來參與創(chuàng)立復(fù)仇者聯(lián)盟。男主角在影片中身著鋼鐵戰(zhàn)服與各路人馬打斗的場面驚心動魄，讓人大呼過癮。這套鋼鐵戰(zhàn)服材料堅固，可承受極大的沖擊力;加上精密的機械設(shè)計結(jié)構(gòu)，得以完美契合人體，如同軟猬甲防身護(hù)體。正是得益于這種柔性的設(shè)計，鋼鐵俠才不會覺得戰(zhàn)服笨重而拖累自己作戰(zhàn)的靈活度，從而越戰(zhàn)越勇。

看似只能在電影里出現(xiàn)的柔性戰(zhàn)服，其實已經(jīng)在日常生活中逐步走入了各行各業(yè)，例如部隊野外訓(xùn)練、工人裝卸重物、癱瘓病人的肢體康復(fù)等，都有這種被稱為外骨骼的設(shè)備在為人體賦能。在自然界，蝦、蟹、昆蟲等節(jié)肢動物體表堅韌的外骨骼，有保護(hù)和支持內(nèi)部結(jié)構(gòu)、抵御外部惡劣環(huán)境、且自我修復(fù)能力強的作用。而人體借助于外骨骼這樣的黑科技，可以實現(xiàn)常人認(rèn)為難于登天的極端條件作業(yè)、生物體神經(jīng)系統(tǒng)重塑等一系列看似不可思議的特殊任務(wù)。近日記者通過電子郵件采訪了遠(yuǎn)在英國工作的哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院電測技術(shù)及智能控制研究所的曹天傲博士，他對本領(lǐng)域的新成果、新進(jìn)展進(jìn)行展望。

大量“黑科技”正應(yīng)運而生

作為國家公派的高水平研究生項目年輕學(xué)者，曹天傲目前正在英國利茲大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院輔助機器人與柔性外骨骼課題組開展關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作。曹天傲介紹，現(xiàn)有各種機器人具有剛性結(jié)構(gòu)，限制了人體的自然運動，且人體生物關(guān)節(jié)與機器人不對齊，會造成極其嚴(yán)重的不舒適感覺，長久使用甚至?xí)黻P(guān)節(jié)勞損等負(fù)面問題。與之相比，柔性外骨骼是一種完全可穿戴的類似衣服的軟性設(shè)備，可包裹在人體肢體上，并與人體肌肉和韌帶平行工作，通過特定負(fù)載路徑將拉力傳遞到人身體上，并在生物關(guān)節(jié)處產(chǎn)生輔助扭矩。軟外骨骼的內(nèi)在順應(yīng)性使其慣性極低，并始終與生物關(guān)節(jié)“齊頭并進(jìn)”。

由于這些有前景的特性，開創(chuàng)性的原型已在國內(nèi)外的實驗室環(huán)境中紛紛開發(fā)出來。例如，由美國哈佛大學(xué)電纜驅(qū)動的軟腳踝、日本廣島大學(xué)氣動凝膠肌肉為基礎(chǔ)的軟肘部等，均已閃亮登場。同時，曹天傲博士所在的利茲大學(xué)和哈工大團(tuán)隊聯(lián)手攻關(guān)，已經(jīng)初步設(shè)計研制出了低成本家用中風(fēng)康復(fù)柔性下肢外骨骼，其核心技術(shù)是采用氣動肌肉方法包裹患者肢體;各種低成本傳感器可以安在外骨骼外部，測量人體運動時候的速度、位置、轉(zhuǎn)角等信息，進(jìn)而利用這些力學(xué)參數(shù)給出特定的康復(fù)效果量化評估。一些生物傳感器也能安裝其中，捕捉人體運動時的肌肉電信號。部分微型傳感器甚至像縫衣服一樣被縫入內(nèi)部。

外骨骼加持，讓科幻變現(xiàn)實

借助柔性外骨骼，一系列過去只能在科幻作品中發(fā)生的故事，已能在人間重現(xiàn)，并有望改寫人類經(jīng)驗和認(rèn)知。如肢體障礙者恢復(fù)行走、人體步態(tài)研究、特殊物件傳遞交接等，完全可以憑籍外骨骼創(chuàng)造奇跡。特別是在中風(fēng)康復(fù)方面，隨著柔性外骨骼的深度介入，極有可能帶來革命性的突破。在接受記者采訪時，黑龍江省中醫(yī)學(xué)結(jié)合學(xué)會眩暈癥分會主任委員、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科四病房碩士研究生導(dǎo)師謝春成教授介紹說：中風(fēng)又稱腦卒中，是由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導(dǎo)致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的一組疾病。全球每年約有1500萬人新發(fā)生腦中風(fēng)，其中超過500萬人死亡。

統(tǒng)計數(shù)字顯示，城鄉(xiāng)合計腦卒中已成為我國首位死因，也是中國成年人殘疾的首要原因。謝春成解釋，身為高發(fā)病率、高死亡率、高致殘率的腦中風(fēng)，其所釀成的腦組織損傷主要是神經(jīng)細(xì)胞受損，致使神經(jīng)通路阻斷，大腦不能有效地控制肢體并按個人意圖運動，因此通常形成偏癱、肌肉萎縮，帶來感知和運動功能障礙。而運動障礙往往不對稱地累及兩側(cè)肢體，最終四肢癱瘓。其中25%至74%的幸存者需要輔助各種器具或完全依賴護(hù)理者才可進(jìn)行日常生活活動。當(dāng)前，傳統(tǒng)的康復(fù)治療手段通常依靠康復(fù)理療師手動帶動殘疾者的患肢施行被動訓(xùn)練，訓(xùn)練策略比較單一;而且這種康復(fù)需要理療師付出較強的體力勞動，患者通常難以得到足夠強度與頻次的康復(fù)訓(xùn)練。

殘障人士擺脫輪椅不是夢

面對上述物理治療的現(xiàn)狀和巨大缺口，將柔性外骨骼設(shè)備套在病人的患肢上，即可按照特定的程序進(jìn)行重復(fù)不間斷、不知疲倦的康復(fù)工作，完全有望滿足康復(fù)訓(xùn)練要求。尤其是在疫情防控期間，患者無法前往醫(yī)院，或者身在偏遠(yuǎn)的海島或山村里，同樣可以利用互聯(lián)網(wǎng)和柔性外骨骼搭建遠(yuǎn)程醫(yī)療平臺，指導(dǎo)卒中病人穿戴上可重構(gòu)的外骨骼裝束，在家接受相應(yīng)的個體化互動康復(fù)鍛煉。遠(yuǎn)程醫(yī)師可在線監(jiān)控康復(fù)治療的全過程，在出現(xiàn)問題時，會根據(jù)患者的感覺反饋做出及時的評估和干預(yù)。謝春成認(rèn)為，在外骨骼的助力下，卒中病人可望逐漸恢復(fù)原有運動功能，打通神經(jīng)通路，重塑神經(jīng)系統(tǒng)，逐步回歸患病前的狀態(tài)，重返社會。

展望未來，曹天傲博士表示，相信不久的將來，人們佩戴柔性軟外骨骼就像日常穿衣一樣簡便舒適，融入公眾生活中的一部分，協(xié)助正常人身姿更矯健、動作更靈活、任務(wù)完成更出色。而中風(fēng)偏癱、漸凍癥、重癥小兒麻痹病、嚴(yán)重車禍致殘的特殊人群則有望擺脫輪椅的“束縛”，在外骨骼加持下，像電影里強大的“綠巨人”和“機甲戰(zhàn)士”那樣，重獲生機與活力，重新站起身來，書寫人生的第二春!(通訊員 衣曉峰 記者 李麗云)

關(guān)鍵詞： 柔性外骨骼 殘障者 癱瘓病人 肢體康復(fù)