首都科学讲堂 | 第756期：外骨骼机器人——科幻突破现实

本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。

机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量科技创新和高端制造业水平的重要标志，也是未来科技发展的必然趋势。作为可穿戴机器人的一种，外骨骼机器人曾频繁出现在科幻电影和小说中，现如今已从科幻走向现实、突破现实，为助力生命健康与医疗康复，创造更大的价值。

本期首都科学讲堂邀请北京航空航天大学生物医学与工程学院教授帅梅，带大家一起了解外骨骼机器人的突破与发展。

主讲嘉宾：
帅梅
北京航空航天大学生物医学与工程学院教授
▲外骨骼机器人：科幻突破现实（上）▲外骨骼机器人：科幻突破现实（下）

从单关节到外骨骼 
随着医学的发展，脑瘫儿童的比例逐渐下降，但现在中国每年还有千分之二左右的脑瘫儿童出生，2021年中国新出生人口1050万，按照比例就有近2万名脑瘫儿童。这些儿童有一个步态叫蹲伏步态，在走的过程中，他们是处于半蹲式去行走的，腿不能控制成一个直立的正确模式。

蹲伏步态主要是膝关节出了问题，所以国外研发出一款单关节的外骨骼机器人。这个机器人主要用于驱动膝关节，不管在支撑期还是摆动期，都会给它一个合理的助力，改善患者的蹲伏步态，形成局部关节的一个矫正。

有了单关节的助力外骨骼机器人以后，从相关数据来看，患者趋向于正常人的关节的曲线了，对整个蹲伏步态有一个比较良好的改善。主要是通过外骨骼机器人提供了一个膝关节的伸展辅助动力，使膝关节的伸展增加，就能得到一个比较良好的结果。

外骨骼提供膝关节伸展辅助动力使膝伸展增加

当然，脑瘫的儿童可不只有蹲伏步态的问题，全世界第一个能直立行走的外骨骼机器人，在2000年由瑞士的企业向全球正式面市发售，它的外骨骼关节有动力的部分，只有髋关节和膝关节，而它的踝关节基本上是开放式的，无法对它进行控制和助力。因此，它只能用跑台向后的力量来带动，必须采用悬吊减重式，以实现人的足底和跑台之间一个合理的摩擦。

经过20年的应用以后，发现使用这个外骨骼机器人的脊髓损伤患者没有一例能通过它重新站起来行走，也说明其对于脊髓损伤治疗是没有显著效果的。

美国也在20年前就开始布局外骨骼机器人，1999年到2000年左右，美国的NASA分别给高校和最大的军火公司雷神2000万美元资助，让他们参与变革性外骨骼机器人的研制。刚开始，这种机器人计划应用于军事方面，来提高单兵作战的能力，但是后来发现，核心机理上还是有一定限制，所以最后把它们应用到了医疗领域，应用到脊髓损伤助力行走当中。但经过了多轮的研制以后，只有eLEGS外骨骼机器人是研制得比较成功的。一个瘫痪多年的女士借助外骨骼机器人站了起来，和人们正常平视交流，也让这个患者的内心非常兴奋。

日本在很早就开始研究外骨骼机器人，只在近几年时间才开始进入到一个真正临床应用及产业化的阶段。外骨骼机器人还存在一定缺陷，所以在临床应用过程中，并没有得到一个大面积的应用。但外骨骼机器人变革性的出现，对整个康复行业还是有一个巨大的促进。

外骨骼机器人的原理 
外骨骼的定义来源于甲壳类的动物。它的骨骼都是生长在肌肉和组织的外部的，主要用于保护和支撑动物内部组织，属于一个外骨骼的生物。对应的人类、哺乳动物的骨骼都是生长于肌肉和组织之内的，属于内骨骼的生物。

这个机器人穿在了穿戴者的身上，所以它是一个穿在人体外面的机器人，成为除了本身自己的骨骼之外，用外部动力源来驱动的另外一副骨骼。刚才提到，外骨骼机器人本来是要去提高单兵作战能力的，但实际上应用都并不算很成功。但是另外一个很成功的应用是中枢神经损伤造成下肢功能障碍人群（也就是不能通过控制下肢来进行良好的行走和运动），通过使用外骨骼机器人，帮助脊髓损伤患者或者脑中风患者去重新站立行走或者恢复身体康复。

它是怎么来带动人的呢？通过腿杆上的绑带的前后摆动产生控制力，来驱动我们的下肢实现动作。因为是仿人，如何让这几个关节跟我们正常人的步态比较类似，或者说是达到一个康复步态，步态算法就是这其中最核心的技术。

步态实现好了，就可以让穿戴者的下肢产生正常的行走步态，从而对穿戴者的下肢肌群进行全局协调的训练，这就是外骨骼机器人协调控制的一个原理。

传统的康复训练，基本上都是处于单关节的、半静止状态，有一些偏瘫脑瘫是不适用的，没有平衡能力的人也不太适用。但外骨骼机器人不同，首先要用机器人把人支撑起来，其次它可以通过机器带动人去进行行走。这个行走是什么呢？是一个全局的协调训练的行走。所谓的全局就是多个肌肉是可以一块来进行协调配合的。

而且它还有一个很重要的功能，在实现直立的行走过程中，它的关节是可以实现屈伸运动的。也就是对肌肉有一个跟行走功能相匹配的牵伸的作用。所以它可以替代已经失去行走功能的人的下肢，让他实现坐站行走、上下楼梯等日常活动，还可以对患者进行康复训练，提升患者的生活自理能力。

外骨骼机器人在康复医学中能解决什么问题呢？对于一些不完全损伤的截瘫患者来讲，它可以提升站立平衡能力、自主的行走能力，包括感知平面的下降，肌张力下降，能纠正他的行走姿态。对于完全性损伤患者，它能提供机械腿，能替代他已经失去的下肢提供站立支撑行走功能，教他们学习在外骨骼机器人带领下如何再次行走。

正常人的下肢里，每一条腿基本上有6个自由度。两个下肢，再加上腰背部合起来，至少要到15个左右的自由度。但是外骨骼机器人如果有这么多自由度，它的成本和机械的复杂性都太高了，作为一个医疗产品就不具备实际应用的场景。

所以现在外骨骼机器人，都是一种简化的外骨骼机器人。大部分都是在髋关节和膝关节通过两个绕它水平面的旋转运动来去控制它的抬腿，还有落地的姿态，就是行走的姿态。

替代康复的实际应用

目前中国生产的外骨骼机器人，除了在发病早中期能进行偏瘫患者的康复训练以外，还拓宽到了截瘫四肢瘫、超早期病程的ICU还有长时间的偏瘫等治疗中。所以在外骨骼机器人领域，我们国家的技术是超前的，不仅应用范围很广，还能治疗很多疑难杂症，远远超过国外同类技术。

大艾机器人还做了一个全球原创性的设计，就是在腰髋部位加了一个安全的平衡移动台架，这在临床应用中，从安全行走性、平衡性和移动性，包括康复的疗效上，得到了非常大的扩展。这也是中国外骨骼机器人在全世界做的首台创造性原创产品。

目前外骨骼的使用还有一个什么瓶颈呢？就是贵。一个针对重症和一个针对中后期的机器人，它们的价格都是在百万元以上的。另外，它的材料是钛合金，各个方面要精准匹配多种不同类别的病人，还有各种各样的设计，在医院里适用于大范围的患者应用。

实际上很多病人是希望能够居家使用的，那这个价格就成了一个非常大的限定因素，所以国内研发者在这方面进行了非常强的原创性设计，通过独特的机械传动方式的传动链设计，把价格成本大幅度降低近10倍（降低为原产品的1/10），使价格达到了一个可以被个人接受的程度。

我们来看一些患者的案例，冬残奥会火种汇集选手邵海朋是一个ASIA-B脊髓损伤患者，在2017年的时候从7楼摔下来，导致了脊柱爆裂。但是通过外骨骼机器人3个月的训练，他就能重新站立行走了。

冬残奥会火炬手杨淑亭本来是一个不能站立行走的脊髓损伤患者，已经损伤11年了，但她通过外骨骼机器人也能重新站起来，而且还能优雅开心地行走，这对脊髓损伤患者来讲，是一个天翻地覆的变化。

再比如一个脑瘫的孩子，她已经进行传统训练15年了。但在这15年的过程中，她依然不能独立行走，必须要扶着一个固定物体，或者说是别人扶着她才行。而且她有斜视，有手足徐动，比如手动一下，脚也会跟着过去，或者脚动，手也会跟过去。

这个孩子用外骨骼机器人训练，训练18次以后，就能拄着双拐独立行走了，这也是她15年来首次的独立行走。后来又经过了30次的训练以后，可以看到她的行走步速又有了良好的提升。

这个孩子后来考上了大学，斜视也没有了，手足徐动这种异常动作也没有了，已经变成了一个正常的漂亮小姑娘，这对于她的人生来说是个重大的改变，这也就是外骨骼机器人的奇幻之处。

未来的展望除了下肢以外，脑机接口也成为了康复医疗领域一个很火热的名词。马斯克还专门做了一个脑机接口植入的“缝纫机”。所谓的机器人是给脑部插入一个电极，在脊髓损伤的治疗或者是四肢瘫痪的一些病人身上，能通过一个机械臂帮他去拿一些东西，可以自己吃饭，在生活中起到辅助作用。

马斯克还希望能插入一个电极，将来再用合理的方法或者说算法，或者其他的一些辅助的东西，加强我们每个人的思考能力或学习能力，希望它能对我们产生一些良好的作用。

在马斯克之前，国内国外康复领域都进行了脑机接口+机器人的康复治疗技术的探索。在咱们国内，就已经有成熟的脑机接口+外骨骼康复治疗技术的应用。我们通过识别脑部发出的命令控制外骨骼，去进行各种动作。

比如偏瘫以后，除了走路受限以外，手部功能也无法正常使用。过去纯用外骨骼技术进行手部康复的时候，实际上效果并不理想。因为研究脑部的控制区域就会发现，对于手的这个动作，它是非常精细的，控制面也非常大。

所以单纯用一个手外骨骼来强迫运动，对脑部刺激的作用并不大。但是当脑机接口加上手外骨骼后，也就是说当我戴上一个脑电帽，能采集我脑部信号的时候，我自己去想象一个动作，想象一个运动范式的时候，就会发出一个合理的脑电波信号，脑机接口系统捕捉到这个信号以后，就会控制外骨骼去运转。通过脑机接口技术，用“意念”驱动机械手，带动瘫痪的手部运动，最后实现中枢外周到中枢的肢体闭环控制。

脑机接口加外骨骼是一个非常前沿的技术，对于上肢能起到良好的康复作用。但是脑机接口对下肢的作用，目前来讲不是很明显。因为我们的下肢处于脑部更深的结构里，它的机理到底是什么？欢迎同学们以后都能去学习，加入到这方面的研究当中，去研究它相关的机理。

事实上，外骨骼机器人目前应用最广的领域，就是在医疗上面。当然现在也有货运、一些军事应用，包括建筑上，也有比如说我爬高摸低，来帮我背负一些东西的应用。但是现在应用的最成熟最好的还是在康复领域，康复是一个医疗领域，所以它是一个深度医工交叉的产品。

过去到康复医院，里面布满了床和简单的康复器具，现在先进的康复医院里布满的是各种各样的智能康复器具。也就是说，智能康复工程，智能工程的康复未来一定会大量地替代人工的康复技术。

所以康复智慧云平台的建立，是未来一个大势所趋，也是必然要经历的一个阶段。它通过云平台把患者、医院，还有治疗师、医生这三端给结合起来。不仅是进行合理的训练，还可以把训练数据都完全收集起来形成大数据。通过专家的引领，通过大数据支持，最后形成有效的康复方法评价和评测体系，最终支持全国智慧化康复体系的建立，让整个康复向更好的方向发展。所以未来外骨骼一定会越来越先进，越来越方便，一定能大有可为。

（本期视频、图片来自第756期首都科学讲堂）

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内容来源：首都科学讲堂

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