科幻電影《鋼鐵俠》里的工業(yè)家及發(fā)明家Tony為逃生制造了高科技盔甲，搖身變成“鋼鐵俠”保衛(wèi)地球?，F(xiàn)實(shí)生活中，“鋼鐵俠”的金屬外衣并不存在，但科技工作者對(duì)可穿戴外骨骼機(jī)器人的研發(fā)從未停歇，這項(xiàng)起步不久的高科技，已經(jīng)在醫(yī)療康復(fù)等民用領(lǐng)域嶄露頭角。國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院教授李智軍研發(fā)的正是這樣一款可穿戴的外骨骼康復(fù)機(jī)器人。其相關(guān)成果已發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊IEEE Trans. Industrial Electronics、IEEE Trans. on Fuzzy Systems、IEEE Trans. Mechatronics等，榮獲IEEE國(guó)際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)7次、提名獎(jiǎng)6次，省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)4次，相關(guān)技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，基于這樣的成果，李智軍教授擔(dān)任了三個(gè)IEEE匯刊副主編、IEEE人機(jī)智能控制協(xié)會(huì)生機(jī)電與仿生機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)主席，和2016年IEEE先進(jìn)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)大會(huì)主席。
李智軍教授
民生問題驅(qū)動(dòng)的康復(fù)機(jī)器人研究
科學(xué)家對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究可追溯至上世紀(jì)60年代，目前美國(guó)、英國(guó)、加拿大和日本等國(guó)家處于領(lǐng)跑地位。隨著人口老齡化問題的加劇，康復(fù)機(jī)器人的研究顯得越來越重要。“我國(guó)一年大概有3000萬人患腦中風(fēng)病，并且這個(gè)患病率以每年8%的比例在上升。同時(shí)，腦中風(fēng)的病患中大概有75%可能會(huì)留下終生殘疾的問題，這為康復(fù)醫(yī)療帶來很大的壓力?！崩钪擒娬f。
“科技為民而生”，正如李智軍強(qiáng)調(diào)的：“機(jī)器人研究必須能解決實(shí)際問題?！逼扔谶@樣的實(shí)際需求，我國(guó)也開始研發(fā)康復(fù)機(jī)器人。但由于相關(guān)理論和技術(shù)的欠缺，國(guó)內(nèi)康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)還相對(duì)落后，行內(nèi)迫切渴望改變現(xiàn)狀。
2003年，李智軍到日本電氣通訊大學(xué)做博士后研究，那里，他第一次接觸到外骨骼機(jī)器人。這個(gè)超前的研究領(lǐng)域讓他一見鐘情，他深深地被其巨大的發(fā)展前景所吸引。李智軍表示：“外骨骼機(jī)器人是這一領(lǐng)域的研究前沿。對(duì)于因腦中風(fēng)等喪失運(yùn)動(dòng)能力的患者來說，智能機(jī)器裝備能代替肢體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可視為殘障人士的另一套骨骼?！崩钪擒娚钪夤趋罊C(jī)器人的研究需要生物、機(jī)械、電子、數(shù)學(xué)、康復(fù)醫(yī)療等跨學(xué)科的理論支撐，他沒有馬上啟動(dòng)項(xiàng)目，而是在理論研究上積淀了七年。2010年，他把外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究正式提上日程，主攻仿生機(jī)器人和生機(jī)電系統(tǒng)的研究。
李智軍與學(xué)生一起探討“類人移動(dòng)機(jī)械臂”的雙臂協(xié)調(diào)控制技術(shù)難題
“鋼鐵俠”現(xiàn)實(shí)化的科學(xué)實(shí)踐
盡管在電影里，像“鋼鐵俠”那樣的外骨骼機(jī)器人概念并不罕見，然而鑒于基礎(chǔ)技術(shù)的限制，它還未能成為真實(shí)的存在。事實(shí)上，外骨骼機(jī)器人的研究，需要克服眾多難點(diǎn)，其中就包括了機(jī)器人的變剛度?！皠偠取笔鞘刮矬w產(chǎn)生單位變形所需的外力值，人體運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉產(chǎn)生的生理信號(hào)可換算為“剛度”，進(jìn)而傳遞給機(jī)器人。然而，相比于機(jī)器，人的動(dòng)作是柔韌性、自由度極高的，這為機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模帶來很大的挑戰(zhàn)。比如拿雞蛋，如果機(jī)器人不夠“溫柔”，過于“剛烈”的動(dòng)作就會(huì)把雞蛋捏碎。
李智軍研究的是可穿戴機(jī)器人，它將與腦中風(fēng)病人“人機(jī)合一”，帶動(dòng)病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這就對(duì)機(jī)器人的安全性和柔韌性提出了更高的要求。經(jīng)過多年努力，李智軍的團(tuán)隊(duì)采用生物信號(hào)反饋驅(qū)動(dòng)方式，通過采集人體生理電信號(hào)等生物信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)康復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡的操縱，最終研制出一款生物融合式的新型智能可穿戴康復(fù)機(jī)器人。這款機(jī)器人全身上下有22個(gè)自由度，是目前國(guó)內(nèi)擁有最多自由度的康復(fù)機(jī)器人，它針對(duì)不同的患者設(shè)有多種康復(fù)模式，還提供了豐富有趣的虛擬場(chǎng)景和訓(xùn)練游戲，做到以人為中心，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)融合，保障了適應(yīng)能力和安全性。
李智軍團(tuán)隊(duì)研制的多款康復(fù)機(jī)器人
康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化指日可待
經(jīng)過前期大量的技術(shù)研究沉淀，李智軍團(tuán)隊(duì)研制的智能可穿戴式康復(fù)機(jī)器人已步入臨床測(cè)試階段，通過與中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院、上海瑞金醫(yī)院、廣東第二中醫(yī)院等合作，正在逐步完成臨床試驗(yàn)改進(jìn)，已形成較為完善的功能體系和服務(wù)體系。這意味著，我國(guó)自主研發(fā)的具有國(guó)際先進(jìn)水平的康復(fù)機(jī)器人投產(chǎn)指日可待，它的投產(chǎn)將有望改變康復(fù)機(jī)器人依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，提高我國(guó)康復(fù)機(jī)器人技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化。
“腦中風(fēng)發(fā)病后的術(shù)后康復(fù)是個(gè)非常緩慢的過程，長(zhǎng)期的康復(fù)訓(xùn)練常常需要堅(jiān)持一兩年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致康復(fù)師供不應(yīng)求?？祻?fù)機(jī)器人在一定程度上可以把康復(fù)師解放出來，從而幫助更多的病人，它的產(chǎn)業(yè)化具有很高的臨床應(yīng)用價(jià)值?！崩钪擒娬f。目前，李智軍團(tuán)隊(duì)正在跟山東攬盛機(jī)器人等幾家企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作。下一步，他們將更加側(cè)重于提升康復(fù)機(jī)器人的人機(jī)交互功能，把人的反饋信號(hào)傳遞給機(jī)器人，變“機(jī)器帶人訓(xùn)練”為“人機(jī)互動(dòng)訓(xùn)練”，提供更加人性化、個(gè)性化的服務(wù)。
隨著科技的飛速發(fā)展，我們?cè)囅?，也許在數(shù)十年、上百年后，機(jī)器人已經(jīng)是人類身旁能干的助手、你我身邊不可或缺的伙伴，它可能是你的工作搭檔，你的管家、保姆、康復(fù)師、保健醫(yī)生……從衣食住行到生老病死，我們會(huì)繼續(xù)遇到這樣那樣的問題，而科技終將為民而生、助民解難。
《新視點(diǎn)》第11期團(tuán)隊(duì)
文 字：張 薇
圖 片：許 穎 受訪者提供
編 審：柯 寧 孫宏志
總策劃：王丹平
