穿上“钢铁战衣”走路后 我看见另一个世界
2021-11-23 21:32:04  出处:极客公园  作者:凌梓郡 编辑:随心     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

很长一段时间,脊髓损伤在科学上被认为是不可逆的。生长在人脊椎里的中枢神经,损伤后也不再恢复。人的功能丧失,就像断裂的电路不可以再传递信息。不过上世纪 90 年代的研究发现,重复的踏步动作可以让「断电」脊髓重新控制运动。

2003 年,在清华精密仪器系攻读博士后的帅梅开始了「仿人机器人」(humanoid robot)的学术研究。六年后,在先前基础上,她将研究的目标转向了下肢外骨骼机器人。2016 年,她创立了大艾公司,其所生产的外骨骼机器人被运用在临床实验中,对脑瘫、截瘫患者起到了明显的疗效。

今年 11 月,我在大艾体验了外骨骼下肢。

「15 年不如这 5 天」

以膝盖为分界点,我被量了小腿和大腿的长度。座椅一样的器械调好,我就坐了进去,脚、膝盖、大腿、腰部、肩膀全部被绑带固定好了。随着身体被机器一点点牵引至站立,我有些兴奋,人体就这样便能和外骨骼下肢「共生」行走。

位于北京大兴区的大艾公司也是一个康复训练基地。办公区下一层,地面被贴纸划分为几个区域,十几台外骨骼机器人靠墙摆放,每天都有病人来这里训练。

对我而言,试穿这些外骨骼机器人是一次「特权」。它们的功能在于帮助瘫痪或行走不便的人群进行下肢康复。

「落地的时候重心可能会向前倾一下,不用害怕。」一直陪同的小满对我说。她是大艾的实习生。陪其它瘫痪人士第一次试用时,她总这样习惯性嘱咐,不过于我有些多余。

从腰肢以下都像被树藤缠绕着,也像被一只巨掌握住,重心轻微晃动,我几乎无觉察,但是对于长期卧床的病人而言,乍一站立,很可能出现体位性低血压。

站立是人基因中的本能,行走也是。当我使用助力模式,机器给力 60%,剩下 40% 靠自己。每次用力蹬步,碰到地面,脚底的喜悦就像本能一样传来,期待着下一步。每一步都像一个笨拙的亲吻。

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试穿大艾机器人 | 极客公园现场拍摄

「我这 15 年活得不如这 5 天。」大艾机器人 CEO 帅梅记得很清楚,2018 年,15 岁的小姑娘安琪,对她说了这句话。那时候安琪选择在高二下学期休学,有了时间来公司集中训练。使人意外的是,仅仅训练了 5 天后,她就可以穿戴下肢机器人拄拐自主行走。

「高考对我来说确实挺难的,而且就算我考上了,身体条件也不允许我去读」。由于大脑运动区域先天欠发育,写字对她来说是不那么容易,在规定时间里用手把考卷写完就是一个挑战。现在安琪 19 岁了,聊天时,她骄傲地向我展示字迹工整的笔记本,最初学写字时,她写一个字要花 40 分钟。

妈妈比喻,女儿的状态是「脑细胞无法支配身体的零件」。由于出生半个月才确诊脑瘫,没有及早干预,一两岁时,医生对安琪希望仅仅是:日后能够坐起来、双手做到合掌的动作就行。一家人一直努力康复,但是没有什么训练手段能够教会她走路。大约 7 年前,她在康复中心尝试过一次用拐杖,完全站不住,整个人往后倾倒。「然后大家就知道,安琪不行。我就再也没有用过拐杖了。」

是机器人开始教会她怎样使用双腿。让她体验「独立行走」的艾动机器人大约重 20 公斤。和我穿戴的外骨骼还有一些不同,只有腰腿部的钛合金骨骼架,没有外围的站立辅助支架。

安琪一开始尝试带着框架辅助的外骨骼进行训练,大艾机器人 CEO 帅梅看到安琪的状态挺好,提议她试一试穿另外一款,拄拐杖走。

最早研发外骨骼机器人的时候,帅梅并没有设想能帮助到像安琪这样的「脑瘫」患者。安琪也没有想象过自己的余生能够摆脱轮椅。现在,她能够用肘拐走路,最大的愿望是继续摆脱拐杖,多出一只手,就可以更好地照顾自己。

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外骨骼机器人艾康(左)、艾动(右)|来源:大艾机器人

机器向人学,再教会人对帅梅而言,研发外骨骼机器人,可以追溯到她 03 年在清华精密仪器系做博士后。刚开始,她的研究方向是「仿人机器人」(humanoid robot)。

那时她研究如何让机器人模仿人行走。她向我回忆,当年她所在的团队做成的「中国第一个崎岖路面上行走的仿人机器人」,在地上随意撒一把从 5 毫米到 2 里面高低不等障碍片,小机器人能够跨越障碍走过去不摔倒。「这也为所有的技术打下了基础。」

对人而言,脚下突然遇到凸起,会条件反射做出反应,甚至能够瞬间调整重心避免摔倒,这源于自我保护的本能。让机器人习得这样的「本能」却不容易,帅梅团队的策略是通过算法计算脚底受力,再依此来调节腿和躯干的步态。

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帅梅2006年发表论文中的五轴仿人机器人系统示意图 | 来源:IEEE

那时,仿人机器人是一个前沿的学术领域,而帅梅希望做出能够实际应用的技术。用作医疗器械的「外骨骼机器人」成为了合适的选择。最初设计时,她的目标是做帮助老年人和偏瘫患者恢复行走功能的机器人。

或许是研究过步态,让她对人的走路姿势多一分敏锐。交谈时,帅梅不时从椅子上起身,模仿各种走路姿势。她脚底贴着地面,左右脚挨在一起,相互向前撮挪——一次在地下通道,她看见一个老大爷用这样的姿势走路,「我就在想,人到老了如果都是这样的一个状态,生活就会很悲哀。」在北航校园,她经常看到走路不便的退休教师,母亲年纪变大,腿脚也逐渐不便。

以仿人机器人的技术积累为基础,研究外骨骼下肢的步态研究、控制方式、机构设计,在技术路径上也顺理成章。于是在 2009 年左右,她将研究的目标转向了下肢外骨骼机器人。2016 年,大艾公司成立,开始产业运作。在临床实验中,她发现下肢机器人对脑瘫、截瘫患者都有明显的疗效。

一年后的 2017 年,邵海鹏在北京第一次穿上了大艾机器人。「坐着看世界和站着看世界,那是两个世界」。

半年多前,做电焊工作的他从 17 米高的地方坠落,安全带折断,腰部到胸部的第 11、12 截脊椎断裂性骨折。从此,他成为一名截瘫患者,肚脐两三寸之下再没有知觉,之后就没有这样「自然地」站起来过了,被机器人带着向前走的时候,双腿依旧没有任何知觉。但他觉得「跟自已走一样,就闭着眼睛往前走」。

没有知觉,大脑也无法指挥腿部。做理疗时,康复师一边将他的腿抬起,一边让他用「意念」想象自己的腿能够抬起——邵海鹏对截瘫前的走路状态还有记忆,而对从没有用双腿走过路的安琪来说,寻找站立的姿势则需要两个人辅助完成,一个人扶着腰,一个人扶着腿。

「很多人都有一些误区,认为做一个外骨骼,只要能让这个人站起来走几步,就彻底解决了问题。」帅梅向我解释,普通人拥有自主平衡的能力,外骨骼则是要教会病人在步行的动态中平衡。由于技术上的创新和临床疗效的验证,大艾机器人在 2018 年获得中国首个外骨骼机器人 CFDA 注册证(这意味着医疗器械可以作为产品进入市场)。

过去很长一段时间,脊髓损伤在科学上被认为是不可逆的。生长在人脊椎里的中枢神经,损伤后也不再恢复。人的功能丧失,就像断裂的电路不可以再传递信息。不过上世纪 90 年代的研究发现,重复的踏步动作可以让「断电」脊髓重新控制运动。

这与大脑通过中枢神经传递信号控制运动不同,更像是一种经由外界刺激、被动训练的回路。「通过机器人被动行走,向身体输入信号。细胞的生长是局部的。」三甲医院的康复医师陈思婧向极客公园解释。

至少目前科学家已经发现,脊髓回路具有某些「可塑性」,并且能够触发一定的功能。但是中枢神经损伤依旧是世界级的学术难题。对于那些带着「学术难题」去生活的病人而言,他们更想通过训练去解决细小而具体的问题:比如蹲下来可以再站起来、放开拐杖能够多站一会。

「每天 1 毫米」

到了 2019 年春天,16 岁的安琪想走出家门。

经由外骨骼机器人,她的双腿已经学到了走路姿势,她想试一试在没有「机器教练」的帮助下,用自己的双腿探索世界——目标是小区院子外、八车道马路对面商场里的冰淇淋店铺。这条妈妈日常用 15 分钟走完的路线,她走了 4 个小时,但这是她第一次「独立」行走。第二天起床,她看见手肘上鼓起了鸽子蛋大小的肿包。昨天拄着肘拐的劳累让她得了腱鞘炎。

但她忘不了在那个春天里品尝了冰淇淋的甜。现在她走同样的路线,从家去到商场,只需要 40 分钟。

「姐姐,你去跑马拉松,跑得气喘吁吁所用的那些力量,可能就相当于我走了一小步。」安琪对我说。

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拄着肘拐的安琪 | 来源:受访者

这年底,瘫痪坐轮椅 8 年的王先生在抖音上刷到了大艾机器人,于是租了一辆在家训练。他找回了拥有双腿的感觉,能够半夜自己翻身。双腿开始生长肌肉,从前因肌肉萎缩而「像塑料皮一样」皱起的表皮开始恢复弹性。和我说话时,他拍着自己的大腿,「现在拍这里有感觉了」,使用大腿的力气,他可以把小腿微微抬起。

按照通常的医疗判断,瘫痪后最好的恢复期是半年内。从这个角度而言,邵海鹏比王先生幸运很多,刚瘫痪 6 个月就遇到了大艾机器人。20 多岁的他坚持训练,恢复得很快,还在 2018 年穿着机器人用 9 天时间走完了全程的马拉松——那些晚上,各种疼痛让他失眠,淌下的汗渗在床上形成一个「大」字,但下身的知觉每天都往下扩散。这种感觉一直持续到马拉松之后的一段时间,「用手可以摸出来,每隔一两天就会往下移一两指」。

现在,邵海鹏使用肘拐能够蹲下来,再自己站起来,这意味更大的自由:出门走累了,可以停下休息,再继续走。他想做一件事:骑车环游中国,到每个地方的残联,可以停留几天跟人们交流康复经验。要真的实现这个愿望至少需要一笔钱,和一辆耐用的车。目前他正在家里手动做一辆「躺车」。

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邵海鹏想用来环游中国的「躺车」示意图 | 来源:受访者

即使瘫痪了五六年,通过训练也能缓慢进步。陈思婧向极客公园介绍,「以前可能会觉得病程两三年,差不多就定型了」。在康复医院工作的她有机会观察到,一些病人在五六年、甚至十年的时间跨度中,都在逐渐恢复。

在求医的过程中,一位康复医院的专家对王先生说:可能你每天都在恢复,假设神经系统有 1000 米,你可能每天只恢复 1 毫米,只是速度慢而已。

下肢瘫痪会带来一系列的「废用综合征」。身体机能异常首先会影响泌尿系统,日积月累就容易得尿结石、肠胃病。肌肉萎缩、神经疼也伴随左右。曾有一位康复训练的病友,白天还与他一起训练,半夜便自杀了,「一定是疼得心脏受不了了。」他也经历过整整 24 小时的神经疼,身体对止疼药已经产生了耐药性,只能靠意志挨过去。

现在,他感受到相信的力量。就像一直拿着刀剑战斗,突然发现了一辆坦克,「如果此前内心的希望是 10%,现在是 70%」。他不时在网上关注最新的技术进展,希望有一天可以恢复到像普通人一样。

在康复医师看来,下肢机器人是一个工具,能产生很好的效果,但更重要的是康复医生如何去使用它,需要制定适合病人的治疗方案。想取得长期积累的疗效,每次使用的时长、频率、助力的参数不一。方案需因人而异。比如有的病人勉强能走,却有一条腿伸不直,这就需要医生去探索如何灵活使用、与其它的训练一起配合。

2018 年的一次展会上,北美康复工程与辅助器具协会的主席,Mary Ellen Buning 女士在大艾的展台前与帅梅交流了一个小时。Mary 是一位高位截瘫患者,她对帅梅说,希望大艾的产品能够帮助到美国的瘫痪人群。

美国很早就有了外骨骼机器人,像 Rewalk 公司的产品已经商业化。与大艾机器人不同的是,它适用于已经可以勉强站立的人群,穿戴后行动不便的人就能够自如运动。这样的产品很难帮助一个下肢无力的人站立起来。「它适应患者类型相对较窄。」帅梅解释。

陈思婧从康复训练的视角介绍,当病人有基本行动能力,力量足够,但是不能很好地控制动作,就需要更细致地矫正动作。这方面她用过辅助性最强的外骨骼是加拿大的 Keeogo。这款外骨骼能够在上下楼梯时实时计算关节的角度和用力,并通过算法施加外界干预和指导。

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Rewalk(左) 和 Keeogo (右)的外骨骼

离开大艾时,小满把我送出门。她学的是康复专业,毕业后想留在这里工作。闲聊中她告诉我,之所以选择这份专业,与家人先天性残疾有关。只是目前的科技,尚无法有效解决她家人所面临的问题。

我们陷入了一段沉默。

不过,「微小」的改善能让她在工作中获得满足。她教病人怎样使用机器人,「有一个病人瘫痪 18 年了,下肢的感知正在恢复,力量也一点点练出来了,他有信心有朝一日能站起来。」看见他们站起来,「我也会跟着高兴」。

(应采访对象要求,小满为化名。)

编者按

如果说二十年前的互联网还是一个襁褓中的婴儿,高速发展过后,科技互联网已经成为一个肌肉发达的年轻人——人们从向往、希冀到警惕,甚至恐惧它的巨大力量——科技除了在欢快的奔跑中改造着旧世界,也迎来了需要对新世界承担更多责任的时代。

科技不应该只是一次次精准推送、一个个创造时间黑洞的消费产品,其使命也不该是无限的「增长游戏」和对用户数据的「竭泽而渔」,而应该回到「人」本身。

- THE END -

#钢铁

原文链接:极客公园 责任编辑:随心

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