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年度技术——行走的自由

2013-10-17 来源:科学松鼠会 已有1513人阅读

关键字:趣味数学   行走的自由   

  十八年前的一次滑雪事故,让阿曼达·博科思特尔的生活只能在轮椅上继续。“我活在梦想中。”她说,“我梦想着有一天可以再去登山,可以在家乡的海滩边漫步。”

  但是这却很难做到,因为行走并不是一件容易的事情。人的行走是“可控的跌倒”——将重心向前倾,在还没有摔倒之前迈出一条腿来保持平衡,然后重复这个过 程。几岁的孩子就可以不经思考地走路,但是只有相当复杂和精密的机器人才能够像人一般行走。那些因为各种原因而失去了行走能力的人,则只能依赖几个轮子和 斜坡来移动,不能爬山,不能走在柔软的草地和沙滩上;对他们来说,任何一级台阶,都像是喜马拉雅山般不可逾越。

  但是现在,这种状况已经开始改变了。虽然我们还不能期盼几年内就能看到那种在电影《特种部队》中帮助战士们奔跑如飞的铠甲,但是下肢瘫痪的人们的确将会很 快重新获得行走的能力。就在最近,加利福尼亚北部的“伯克利仿生”公司开发出了新型设备,它能够帮助人们从轮椅上站起来,并且以每小时三公里的速度步行 ——这种速度,已经和普通人的步行速度差不多了。不过,它看起来不像《特种部队》或者《钢铁侠》中的战衣那么酷,而只是一些背包、束带和金属杆。这是一种 动力外骨骼系统,名叫eLEGS。

  外骨骼这个词,是从生物学中借用来的,本意是指昆虫之类的小动物们体外的那层坚硬的几丁质外壳。从很久以前,人们就开始尝试在身上附加额外的设备以获得额 外的防御力,我们也在各种各样的科幻小说、漫画和电影里看到过外骨骼设备。而动力外骨骼则是指那些能够让人们更有力的体外装置,就像是提供了额外的肌肉和 骨骼那样。随着电子设备小型化和计算机技术的发展,如今的动力外骨骼系统已经发展到了较为成熟的程度,目前已经有了少量产品出现在市场上,例如用来帮助护 士提供更好的护理服务,或者帮助搬运工们更省力地完成沉重的工作。

  虽然听起来有点像机器人,不过动力外骨骼系统和机器人之间还是有很大的差别。动力外骨骼只是一个收集、处理、反馈的体系,和键盘鼠标这样的设备更加相似。 它做为辅助机械而存在,而非完成复杂的整套工作。通过角速度、压力以及各种各样的传感器,动力外骨骼系统能够以每秒钟数千次的频率收集肢体的微小移动,通 过计算机判断出人们的动作意图,然后控制电动马达的输出以帮助人们贯彻这些意图。简单来看,使用动力外骨骼系统的方式和我们用键盘控制计算机的过程几乎可 以划个等号,只不过前者要复杂得多、灵活得多、需要处理的数据量也大得多。

  

 

  chariot

  在“伯克利仿生”公司之前,人们就开发过帮助截肢者重新行走的设备,名叫“Chariot”。它像是一个带座舱的轮椅,或者是只能容纳一个人的两轮汽车, 人们可以通过改变身体的重心来控制行走和转弯,达到和自行车差不多的速度。实际上,也许说它更像是Segway两轮车和动力外骨骼的结合体更恰当,而他的 缺点也和Segway一样:对楼梯完全无计可施。而伯克利仿生公司的eLEGS则不同——它模仿的是人们自然的行走动作。

  eLEGS,是“外骨骼下肢步态系统”的缩写。这是一种看起来像是腿部矫正器的金属架,就像《阿甘正传》里的少年阿甘用的那种。和矫正器不同的 是,eLEGS能够完全接管瘫痪者自身的关节功能:它的髋部、膝部、脚踝和脚掌部位都有关节,而特殊的关节弯曲系统,让走路时髋关节的扭转、膝关节的弯 曲,以及脚踝关节的角度改变等等,都可以完美重现。

  这并不是突如其来的发明。设计这一系统的公司,并不是这个行业的新手。伯克利仿生公司创立于2005年,主要人员来自加州大学伯克利分校的机器人和人机工 程实验室,他们是最早投入使用的动力外骨骼系统的设计者:2003年,这个实验室为军方提供了军用动力外骨骼的原型,这一原型后来发展成了著名的 HULC,洛克希德·马丁公司正在测试生产的军用产品。HULC用于战场,能够让士兵们在负重九十公斤的情况下,以每小时十六公里的速度突击行进。

  和HULC不同的是,eLEGS更关注于下肢瘫痪者的复健和助力。研究者们以自然步态数据为基础,收集了包括人们行走时的肢体角度、膝盖弯曲程度、脚趾的 弯曲等等数据,再把它重现在eLEGS上。这种方式让eLEGS能够更好地符合人们的习惯,对身体姿态的监控系统能够让它判断人们的行走意图,并且帮助人 们迈出下一步。与此同时,脚跟和脚掌处的传感器将确保双脚不会同时离开地面,以免失去平衡。

  现在,eLEGS还在实验阶段,但是在性能上已经很出色。它只有四十五磅重,用电池供电,电量能用六个小时。“我迫不及待地想与人分享使用eLEGS的感 受,”苏西·金说,她是UCI医学中心整形手术部门的助理临床教授,同时也是个轮椅使用者:“无论是在医院还是在家里,利用eLEGS来做复健都是种革 命。”

  这种革命性的产品大约在2011年下半年上市,而伯克利仿生公司将会尽力让其降到与高档轮椅相仿的价格。在那之前,它还需要经历更多的检验,直到确信它足 够安全为止。相信那一天并不会太远,阿曼达的梦想也会很快实现——现在,她正在参加eLEGS的测试工作。“每走一步,我都会感到更加自信,更加自由。” 她说。

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