ROBOT INDUSTRY

僅需百元租賃費，泰山游客就可以穿戴上“機器腿”，攀登泰山健步如飛。其實，這類“登山神器”屬于增強型外骨骼機器人，而外骨骼機器人并非第一次闖入大眾視野。與其同源的康復(fù)型外骨骼機器人常被用于幫助截癱、偏癱、腦癱患者恢復(fù)部分運動能力，實現(xiàn)“康復(fù)一人，幸福全家”的愿景。

“與人平視時，講話的感覺是不一樣的。”已經(jīng)使用外骨骼機器人十年之久的林寒這樣說道。林寒在2013年意外摔傷，下肢喪失行動能力，兩年后，他到四川省八一康復(fù)中心作為首批穿戴試驗員，協(xié)助程洪教授帶領(lǐng)的電子科技大學(xué)機器人研究中心組，參與到外骨骼機器人產(chǎn)品的實驗和開發(fā)項目中。如今，他已經(jīng)堅持每天使用外骨骼機器人訓(xùn)練行走長達十年，正在逐漸恢復(fù)下肢知覺和力量，已經(jīng)能夠自主駕駛車輛上下班，有了自己的家庭和生活。

圖1 林寒穿戴外骨骼行走

在這十年間，林寒見證了電子科技大學(xué)團隊外骨骼機器人產(chǎn)品的七代變遷和數(shù)不清次數(shù)的性能提升改造。2023年，電子科技大學(xué)外骨骼機器人團隊正式成立布法羅機器人科技（成都）有限公司（以下簡稱“布法羅”）。布法羅創(chuàng)始人兼首席技術(shù)專家程洪教授曾解釋過公司名稱的由來：“布法羅，BUFFALO，直譯是‘水?！?，做機器人，‘仿生’就是最高級別的境界，另一方面，水牛的意象與四川的農(nóng)耕文化息息相關(guān)，我們的名字、我們的愿景與這片土地緊密相連?！?/p>

布法羅營銷中心華北區(qū)負責(zé)人祝霞回憶道，團隊選擇康復(fù)型外骨骼機器人作為研究方向，是因為“5·12”汶川大地震后出現(xiàn)大批需要接受康復(fù)訓(xùn)練的殘障人士。當(dāng)時國外已經(jīng)出現(xiàn)了用于康復(fù)治療的外骨骼機器人，但動輒幾十萬美元的價格讓患者望而卻步。2009年底，從海外深造歸來，剛剛加入電子科技大學(xué)的程洪注意到了這一需求，下決心帶領(lǐng)團隊從零開始，研發(fā)一款能夠幫助截癱患者重拾行動能力的國產(chǎn)外骨骼機器人。

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學(xué)科體系日趨完善

外骨骼康復(fù)機器人的迭代不僅依賴康復(fù)醫(yī)學(xué)的演進，還難在多個交叉學(xué)科的同時掌握。志愿者每指出一處產(chǎn)品缺陷或提出新的需求點，就可能意味著一門新的學(xué)科被牽扯到康復(fù)型外骨骼機器人的迭代方案中。

在機械工程方面，巧妙的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計可以確保外骨骼的強度、穩(wěn)定性，使用輕質(zhì)、高強度、耐用的材料能夠提升患者穿戴的舒適感；在電子工程領(lǐng)域，力傳感器、加速度計、陀螺儀等多種傳感器的集成，可實時監(jiān)測患者的運動狀態(tài)和外部環(huán)境，而可靠的驅(qū)動技術(shù)則能提供充足動力和精確的運動控制；在計算機科學(xué)與人工智能范疇，先進的控制算法使機器人可以依據(jù)患者運動意圖和實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整姿態(tài)，個性化輔助康復(fù)，同時借助人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)分析康復(fù)數(shù)據(jù)以優(yōu)化訓(xùn)練方案；在生物力學(xué)與人體工程學(xué)方面，對人體下肢運動機制和步態(tài)周期的研究，可用于設(shè)計符合生理結(jié)構(gòu)的外骨骼，實現(xiàn)自然舒適輔助。此外，還需根據(jù)患者的康復(fù)規(guī)律，設(shè)計有效的訓(xùn)練模式，并通過與醫(yī)療機構(gòu)合作，開展臨床試驗，評估其有效性和安全性。

圖2 布法羅團隊研制的康復(fù)型外骨骼機器人產(chǎn)品

交叉學(xué)科研究日益透徹，康復(fù)型外骨骼機器人的適用人群從截癱患者逐漸擴展到腦損傷患者，例如偏癱、腦癱、腦外傷等，應(yīng)用病癥已經(jīng)拓展到骨科術(shù)后康復(fù)、意識障礙患者的康復(fù)，甚至心衰引起的下肢功能障礙。祝霞介紹道，目前各種原因?qū)е碌南轮δ苷系K幾乎都需要使用外骨骼康復(fù)機器人，尤其對于偏癱患者，機器人可以幫助他們有效增加肌肉力量，改善偏癱步態(tài)。

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向有效、安全、易用迭代

十年前，許多人認為外骨骼機器人沒有長期利用價值，因為脫離了機器人的輔助，身體情況得不到任何改善。其實不然，神經(jīng)具有可塑性，通過外部器械帶動穿戴者進行科學(xué)、高效、準(zhǔn)確的步行康復(fù)訓(xùn)練，能夠刺激神經(jīng)系統(tǒng)重塑，提升下肢自主行走能力，加速康復(fù)進程。

以前，康復(fù)型外骨骼機器人的功能，局限于帶動患者做被動的康復(fù)訓(xùn)練，現(xiàn)在的機器人設(shè)計了評估功能，訓(xùn)練模式擴展到主動模式、主被動模式，增加了單關(guān)節(jié)訓(xùn)練的等速、等張、等長模式，也增加了包括單抬在內(nèi)的腿訓(xùn)練模式，可以幫助穿戴者做關(guān)節(jié)固定角度的牽伸訓(xùn)練，完成多模態(tài)下的運動降張。基于“神經(jīng)可塑性”原理，機器人每增添一項細分功能，都能幫助患者在不同的康復(fù)周期制定更優(yōu)的訓(xùn)練內(nèi)容，讓患者投入的時間和精力獲得更大收益。

圖3 布法羅Aider3S型號下肢步行外骨骼產(chǎn)品

穿戴的安全性是康復(fù)型外骨骼機器人設(shè)計的第一要義。近十年，我國的傳感器產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭。高精度、體積小的傳感器可以自動識別患者的用力情況，自動切換助力等級，減少被動模式對關(guān)節(jié)活動受限的患者的誤傷。機器人上也設(shè)置了急停按鈕、傾斜報警裝置等安全保護措施。

當(dāng)前，康復(fù)型外骨骼機器人已經(jīng)走出實驗室，作為一項成熟技術(shù)產(chǎn)品，被普遍應(yīng)用于各地的康復(fù)中心。祝霞介紹，研發(fā)團隊很早就考慮到了設(shè)備的易用性問題，通過采用電動方式調(diào)節(jié)設(shè)備的腰寬、大小腿的長度，增加髖關(guān)節(jié)外展45°、扶手外展90°等功能，方便患者上下機。同時，機器人以患者為中心進行縱向管理，可以收集錄入每名患者的康復(fù)信息，實時顯示患者對設(shè)備的力矩，以及設(shè)備對患者的力矩。未來機器人還將向智能化方向迭代出更多功能。

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市場接受度攀升

布法羅最新升級的Aider3S型號下肢步行外骨骼產(chǎn)品正處在臨床驗證階段，磨合解決了很多上一代產(chǎn)品的設(shè)計問題，獲得了志愿者的普遍認可。

布法羅研發(fā)生產(chǎn)的外骨骼產(chǎn)品也受到了各地康復(fù)中心治療師的一致好評。傳統(tǒng)康復(fù)中心會對步態(tài)訓(xùn)練設(shè)立門檻，一般情況下，患者達到站立平衡一級才具備開始訓(xùn)練的基礎(chǔ)身體條件，訓(xùn)練時一般需要2~3名治療師，以及1~2名家屬協(xié)同。引入康復(fù)型外骨骼機器人后，患者病情穩(wěn)定后即可接受標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的步行步態(tài)訓(xùn)練，且在訓(xùn)練中對人工輔助的需求更低。

圖4 患者正在使用腦機+外骨骼產(chǎn)品

隨著產(chǎn)品應(yīng)用的普及，了解康復(fù)型外骨骼機器人的人群，逐漸從患者群體擴展到普羅大眾。祝霞透露，四川、河南、北京、上海等地對康復(fù)機器人的接受程度和使用情況更好，此外，越來越多的地方將康復(fù)型外骨骼機器人相關(guān)治療服務(wù)納入醫(yī)保，為患者解決了后顧之憂。這種產(chǎn)學(xué)研的分工協(xié)同，本質(zhì)上源于工程應(yīng)用需要構(gòu)建包含場地資源、技術(shù)團隊等在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)，讓建筑機器人從實驗室走向施工現(xiàn)場。

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人工智能和康復(fù)醫(yī)學(xué)碰撞新火花

智能康復(fù)不僅是數(shù)字化康復(fù)設(shè)備的簡單集合，還是把先進的康復(fù)理念、臨床技術(shù)、智能設(shè)備、管理模式應(yīng)用于整個康復(fù)過程的一種新型的現(xiàn)代化醫(yī)療方式。基于在康復(fù)領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗，布法羅推出了“智能康復(fù)一體化解決方案”，從產(chǎn)品端升級到了智能康復(fù)生態(tài)的營造?！?020年以來，我們持續(xù)發(fā)展智能康復(fù)的生態(tài)，建設(shè)智能康復(fù)中心，完善智能康復(fù)的整體解決方案。”祝霞總結(jié)道。

在過去十年，我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)得到顯著發(fā)展，腦機接口所使用的芯片大部分實現(xiàn)國產(chǎn)化。以外骨骼機器人為媒介，康復(fù)腦機接口技術(shù)正在實踐中實現(xiàn)驗證，幫助康復(fù)運動與大腦神經(jīng)形成閉環(huán)，大幅提高神經(jīng)損傷康復(fù)訓(xùn)練的效果。此外，新型傳感器和AI算法將與康復(fù)機器人實現(xiàn)有機結(jié)合，外骨骼機器人有望提供更加個性化的訓(xùn)練，在提高康復(fù)效率的同時，通過數(shù)據(jù)追蹤和反饋，幫助醫(yī)生和康復(fù)師更好地評估患者的康復(fù)進度，隨時調(diào)整治療方案。

未來，康復(fù)型外骨骼機器人會向更加輕便的可穿戴方向發(fā)展，新材料和輕量化電機也是其迭代的關(guān)鍵。據(jù)悉，電子科技大學(xué)正在研究將DeepSeek接入外骨骼機器人，更好識別患者意圖。

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