『大开眼界』“半机械人”的奥运会——Cybathlon

2016年8月8日，第一届半机械人运动会（Cybathlon指半机械人运动会，暂译为“赛博运动会”，简称“赛运会”）在苏黎世正式开幕！

从小型的特邀小组到全世界最大的先进假肢制造商，来自25个国家的80余个研究团队将带着他们的顶尖技术参加这个“半机械人的奥运会“。包括科学家、工程师、工作人员和参赛者在内的300人将会参与以下的六个项目：BCI(脑机接口)、FES(功能性电刺激)自行车、动力假臂、动力假腿、动力外骨骼和动力轮椅竞赛。

运动员 Matt Standridge 将佩戴专门辅助截瘫人士走路的 外骨骼参加 Cybathlon 比赛

比赛场地设置在苏黎世的冰上曲棍球场，众多电视媒体到场报道，每支队伍都身穿自己的队服，赛运会看起来就和残奥会差不多。但是残运会里面只能使用普通的轮椅、商业化的非动力假肢和其他类似的辅助设备，要求运动员依靠自身的肌肉力量赖进行比赛。而赛运会尊崇的是技术和创新，使用的是自带动力的假肢(很可能还只是实验室里的试验品)，操作这些装置的人也不叫“运动员”而是称为“机师”。这个运动会希望通过比赛来加速技术的发展，并且最终让全世界的人都能从中受益。

赛运会宣传漫画，描绘了比赛中的六个项目(tecmundo.com.br)

赛运会的起源可以追溯到2012年11月的一次慈善挑战，在一场摩托车事故中失去了一条腿的Zac Vawter装上了一具试验性的动力假肢并且仅仅用了45分钟就登上了103层高的芝加哥威利斯大厦。这项壮举不仅震惊了新闻媒体，也让瑞士理工学院的生物医药工程师 Robert Reiner开始思考：他和很多实验室都在研制类似的动力假肢，却没有用在真正有需要的残疾人身上。为什么不像Vawter一样，用一场使用动力假肢的比赛来吸引公众注意呢？

Zac Vawter在威利斯大厦上(worldmag.com)

一开始，Reiner考虑过举办像登山这样的带有表演性质的比赛。但在2013年，Reiner遇见了一个男人，他装有一只机械式的假臂，末端装有一只钩子，可以运用残肢上的肌肉来牵动绳索并控制钩子的动作。他告诉Reiner，这只钩子手在动作范围很大的时候还凑合，但是不能完成精细的操作。一次买电影票的过程中，在艰难地掏出钱包和拿出里面的钞票的时候，他可以感受到来自背后的注视和不断累积的烦躁。听到这个故事之后，Reiner决定了赛运会的(大多数)比赛项目都应该基于人们的日常生活，因为相比起成就另一个刀锋战士，解决日常生活中的挑战对使用假肢的残疾人来说更有意义更重要。

动力假臂项目的一个挑战就是往一根绳子上挂东西(ETH Zurich / Alessandro Della Bella)

六个项目里面，BCI(脑机接口)是看起来最奇怪的一个：15位机师坐下来，用4分钟的时间，光靠脑子思考来控制屏幕上的角色移动。选手会戴着一个电极帽，使用特定的思考方式来让角色加速前进、跳过地上的尖刺或者爬过头顶的激光束。

BCI机师聚精会神(ETH Zurich / Alessandro Della Bella)

其他的赛运会项目则让更传统的假肢和轮椅大放异彩。在动力假腿的比赛中，参赛者需要通过楼梯、随机放置的石头、斜坡和门等一系列的障碍，更包括在椅子上坐下再站起来这样的高难度动作。比赛中将会出现像艺术品一样的智能膝盖和脚踝，它们可以监测机师在走路过程中受到的力和加速度，并且在摔跤的开始就调整自身姿势(以保护机师)。

动力假腿的比赛场地(ethz-foundation.ch)

下一届赛运会将会在2020年的东京举行，为期7天。到时将会引入与视力有关的项目，也会将部分比赛放在体育场外进行。但对于参加了这次比赛的机师们来说，走在时代的最前端已经足够让他们目瞪口呆了。“这里一个钢铁侠，那里一个阿凡达，整个地方都是BCI和动力外骨骼啊啊啊！！！”

转行的化学工程师

50岁的Vance Bergeron是法国里昂高等师范学院的一名化学工程师。作为一个业余的自行车运动员，Bergeron每年都会骑行7000公里，其中大部分还是在阿尔卑斯山脉的陡峭山路上完成的。但是2013年2月，在一场自行车-汽车相撞事故中，他头部着地，颈椎骨折。醒来之后，Bergeron得知自己再也不能控制双腿，手臂也只能做有限的运动。

准备起步的FES骑手

在卧床恢复的几个月里面，Bergeron开始寻找让自己继续骑行的方法。他开始学习神经科学，着重研究像机械人手臂那样的假肢，他想把自己变成半机械人：人类和机械的结合。有一种叫做FES(功能性电刺激)的技术，可以向萎缩的肢体或残肢发送电信号、刺激肌肉收缩并恢复一定的运动能力。这正是Bergeron想要的技术。

坐上轮椅回到实验室，Bergeron把研究方向转到了FES上面。实验室团队在他本人身上做实验，找到了如何刺激腿部肌肉，让腿部弯曲和蹬踏和最后驱动一辆自行车的方法。“我就是自己的试验对象，这个双赢局面简直不要太美好。”但即使每天坚持锻炼，Bergeron的双腿也只能输出20瓦特的功率，只有一个正常骑手的十分之一。希望他的碳纤维三轮车可以助他一臂之力，在FES自行车赛里面赢下一枚奖牌。

动力假腿项目中的“踏石过河”，需要很高的协调能力

BCI技术

BCI(脑机接口)比赛中，机师会戴着一个电极帽，使用特定的思考方式来让角色作出前进、跳跃和滚地三个动作。原则上，机师可以通过思考任何事情来控制角色的三种状态。英国艾塞克斯大学的一个研究团队就设计了这么一个算法：当机师在想自己的手、脚或者计算一个数学式的时候，角色就会作出三种不同的动作。

这里检测的脑电信号的强度是很微弱的，而且每个人有自己独特的信号模式，因此很难从整体的脑电波之间分辨不同的动作指令。特别是当机师被场内的欢呼声和体内的肾上腺素分散注意力的时候，情况更是如此。

BCI机师正在和团队交流

BCI技术可能永远不会让使用者在现实世界中跑跑跳跳，因为检测肌肉的电信号要比检测脑电信号容易得多。但是在降低成本和提高准确度之后，残疾人可以利用BCI来控制轮椅、屏幕上的光标甚至是可以与别人进行视频通话的机器人(来“参加”某种活动)。“事实上，这个运动会把实验室里的BCI技术搬到了实际应用中，意味着它是有发展潜力的。”

越来越先进的假臂

即使是最先进的工程学设计也比不上精妙的人体。当一个人试图用自己的手去拿起一支笔的时候，他的大脑和周围神经系统会共同决定手要伸多远、如何精准地弯曲每一根手指的每一个关节和要用多大的力气——一切都是在无意识下发生的。传统的假臂，例如之前说到的钩子手，需要使用者有意识的控制。这是一件很困难的事，也让很多残疾人拒绝使用这种假肢。

真假臂配合开罐头

要克服这一点，科学家就要利用肌肉和神经的信号来预测使用者下一步想要做什么。一支名叫“质量冲撞”的队伍就做到了这一点。他们的机师是前残奥会滑雪运动员Danny Letain，在1980年的一次铁道事故中失去了左臂。

Letain的残肢上贴上了一系列的按钮。根据以前的记忆，他在脑海中想象用左手做出11个特定动作中的一个，比如说用食指指向某个方向。这时残肢上的肌肉会按下按钮，控制假臂做出相应的动作。幸运的是，即使左臂的幻肢痛已经消失了很久，Letain用于控制手指的大脑回路仍然可以正常工作。“我用上了荒废整整35年的左手啦！”

他在干嘛？摇色子？

瑞典查尔姆斯理工大学的团队开发出一种既可以运动又有感觉的双向假臂：永久植入使用者的骨头里，9个电极将残肢上的信号传导到假肢，也将假肢上的传感器信号传导到残肢里的感觉神经。机师Magnus Niska是世界上唯一一个在实验室之外穿戴过这种假臂的人，团队负责人希望这支假臂中的旗舰型号可以在比赛中给Niska带来优势。

从步行到骑行

在FES自行车项目中，脊髓受损的选手们需要在环形赛道上踏着踏板骑行750米。包括Bergeron在内，很多选手用贴在皮肤上的电极来刺激腿部肌肉。然而凯斯西储大学的团队运用了类似双向假臂的策略，用手术的方法将电极直接植入机师的肌肉。通过一个外部设备，机师可以从菜单里选择自己想做出的动作(例如“坐下”)，一个植入体内的刺激器就会使不同的肌肉按正确的方式进行收缩。

自行车上的追风少年

当领队Ronald Triolo听说赛运会的时候，他意识到可以将“骑自行车”加入到动作菜单里。团队在三轮车上安装了传感器，在骑行过程中可以检测骑手的双腿处于什么角度，自动协调两个踏板的推出和拉回。

Triolo的全部27个病人都想参加这个项目，经过一轮筛选后，几位机师被选出参加这次的赛运会。“我们想要去瑞士赢下这个项目，并且以此为跳板让我们的病人参与更多的体育锻炼。”

可以下楼梯的动力轮椅

竞争与博弈

一开始，Triolo，Reiner和一些同行认为赛运会的竞争性质是很愚蠢的，“我们应该采用跨国合作的方式来解决这些问题，而不是靠相互竞争。”但最后Triolo还是想通了：起码自己能从这个比赛里学到一点东西。Reiner则希望这种公开透明的竞争可以比传统的学术研究更能激发研究者的创造力。毕竟在传统的研究过程中，科学家们总要担心成果的知识产权和同事之间的科研经费的竞争。

哈佛商学院的新兴经济学家Karim Lakhni指出，这种竞争也迫使科学家更快地完成工作，让科学技术的快速应用成为可能。例如在2005年，美国国防高级研究计划局提出一个奖金为两百万美元的比赛之前，全世界对无人汽车的研究就已经萎靡了几十年了。而11年之后，现在的Google的无人汽车已经上路测试了。“这个比赛也会起同样的作用。”赛运会没有设置奖金，但仅仅是奖牌带给科学家的认同感也会促使他们在科研路上继续努力。

学步车里的动力外骨骼机师

这个比赛的另一个好处可能就是让默默无闻的行业小虾米可以和那些财大气粗的重量级选手同台竞技了。奥托博克集团，总部设在德国，拥有数十亿欧元的资产，世界上最大的假肢生产商，参加了三个项目。其中之一是动力外骨骼赛跑，需要脊髓受损的机师利用一个外部支撑系统通过一系列的障碍。奥托的女机师Lucia Kurls由于脊柱肿瘤失去了控制双腿的能力。而在各种传感器、电极和马达的帮助下，现年60岁的她可以在奥氏民用腿部支架里走上12公里的距离。

“是的，我们就是来这里炫耀自家技术的，同时也看看同行们做得怎么样了。”但对于各种大学牌黑马们的原型黑科技，巨头也表示很感兴趣。

略显孤独的三剑客

而一家墨西哥的新兴企业，INDI工程设计，则决定用价格取胜。与价值75000美元的奥氏产品不同，INDI牌支架的关节由刮雨器马达驱动，大部分的架身是3D打印出来的。

总裁Jesús Tamez-Duque希望可以通过参加这次比赛来吸引更多合作，同时证明墨西哥也在这个领域里有一席之地。“在我们看来，赛运会汇聚了全世界的顶尖机器人实验室，而INDI正在向着这个目标前进。”

Cybathlon 将于2020年于东京再次举办，长达7天，恰逢东京奥运会。届时还会增加针对视觉障碍人士的新项目，并且还会在体育场外举办一些比赛。但对于参加第一届 Cybathlon 的参赛者来说，站在前沿已经很激动人心了。「这是钢铁侠，这是阿凡达，」Bergeron 说，「这是全世界的脑机接口（BCI）和外骨骼的结合。」

以下是几张相关图片：

世界上首位依靠外部设备将控制信号从大脑发送到肌肉的瘫痪病人。在他的大脑表面有一枚采集信号的芯片。

盲人装上人工视网膜后可以分辨明暗，但还不能完全恢复视力

依靠患者自身神经控制的假肢

军用腿部动力外骨骼，能有效增加士兵负重和行军能力

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