移动机械技术

蔡立英/编译

●被称为“外骨骼”的机械服可以帮助脊髓损伤的人重新站起来，并且脱离轮椅行走，但是需要经过训练。

在2011年TedMed会议上，当37岁的保罗·萨克尔（Paul Thacker）用他的前臂拄着拐杖费劲地慢慢走上加利福尼亚州圣迭戈科罗拉多酒店的台阶时，他忍不住咕哝了一下。人群中掌声雷动。他蹒跚的步履看起来几乎不值得喝彩，尤其对于一个职业运动员来说。保罗曾是世界雪地摩托车跳远纪录保持者，他的跳跃距离达到了一个足球场的长度。但是，这不是普通的步行，因为保罗现在高位截瘫。

保罗·萨克尔，在一次滑雪事故中胸部以下瘫痪，使用了一副有4个电机和15个传感器的外骨骼后，他才能重新行走。

在2010年11月，萨克尔在一次跳远训练中摔得粉碎，在他的博客中，他把这个事故描述为“有一点失去平衡”，“把我的脊背摔碎了，从胸部以下失去知觉。”但是萨克尔和其他受到类似损伤的人不久可能把他们的轮椅换成 “外骨骼”——一种机电动态援助设备，就像萨克尔在TedMed会议上使用的，它能使那些由于脊髓损伤而瘫痪的人从轮椅上站起来行走。

支持瘫痪病人站立行走的设备最初在20世纪90年代出现，但是早期的设备需要从头到脚的装备，患者只能被限制在跑步机上行走。这一情况如今已得到改变，现在的外骨骼是能够有效穿戴的自动器械，能为移动提供能量。由加利福尼亚州里士满的艾克索仿生公司、总部设在新西兰奥克兰的雷克斯仿生公司和以色列的阿尔戈医疗技术公司生产的外骨骼商品已经投放市场了。另一种商用化的设备不久也将发布，还有更多的设备正在研制中。

“这是一个非常激动人心的时刻。”在美国得克萨斯州休斯敦大学专门从事医疗器械研究的何塞·孔特雷拉斯-维达尔（José Contreras-Vidal）说。 早期的使用者们已经对这些设备表示了赞同。在纽约布朗克斯的詹姆斯J.彼得斯VA医学中心工作的运动生理学家安·思普恩（Ann Spungen），就帮助过患者使用这些设备。“当我看到患者欣喜若狂时，我的感觉真是好极了，”她说，“他们非常喜欢站立起来，和人们做眼神交流。最初几次尝试行走时，他们的家庭成员会过来陪在他们身边，然后患者还想走上楼梯。”

得到支持的支持

在一些情况下，上楼对于外骨骼来说仍然是一个挑战。现在，即使是外骨骼也需要一些帮助，比如萨克尔在TedMed会议上用来登上台阶的拐杖。他使用的是艾克索仿生公司生产的外骨骼，所以就称其为艾克索了。

这个设备从患者的肩膀上套上——让人想起过山车时绑在身上的吊索——背带穿过躯干绑到腿和脚上。它包括捆在臀部和膝盖上的4个电机，和跟踪记录关节角度以及多种其他参数的15个传感器。装在外骨骼一个小背包似的部位的一台计算机，控制着肢体运动。

艾克索有三种操作模式，最简单的操作模式叫“第一步”，由物理治疗师使用一个遥控设备控制患者的脚步。更高水平的操作模式叫“活动步”，患者通过拐杖或助行器上的按钮控制脚步。艾克索功能的最高端的操作模式叫“前移步”，患者身体前倾，迈出第一步，然后外骨骼的电机会接管过来帮助患者行走。在TedMed会议上，萨克尔使用了基本的“第一步”模式，一个助手跟在他身后，使用一个遥控艾克索的遥控器驱动他的脚步。助手紧跟在萨克尔身边，当他需要时帮助他站稳。

阿尔戈的产品ReWalk的操作方式与艾克索类似。电机、传感器和计算机控制着患者的移动，前臂拐杖帮助使用者保持平衡。“使用阿尔戈的Re-Walk，患者控制脚步，就像一个晃晃荡荡走路的人失去平衡之后又重获平衡。”思普恩说。使用者按一下按钮，然后随着外骨骼的电流和机械系统前倾，就迈出了一步。

思普恩和她的同事们研究了ReWalk的行走机制，他们测量了垂直的地面反作用力——实质就是在上下方向上一只脚所承受的重量。使用外骨骼行走的人典型地产生了与正常人行走相似的作用力。“ReWalk通过脚跟蹬地、足中跨步和脚尖离地，很好地刺激了自然行走。”她说。

ReWalk还能帮助脊髓损伤的患者完成更高级的运动。“它还能一次爬一级台阶。”思普恩说。ReWalk并不只是把一条腿摇晃到前面，而是能足够活动臀部和膝盖从而抬起一条腿拾级而上。但是患者上下台阶时，一般还是会在一边使用一个前臂拐杖，另一边握住一个扶手，以保持平衡。

因为这项技术是这么新，像思普恩这样的研究团队主要把精力专注于训练患者有效地使用外骨骼。“我们的患者分三个阶段每周行走4~6个小时，”她说，“他们有一个学习曲线，但是他们变得越有效地使用外骨骼，行走就变得越容易。他们一般在6分钟里能步行140~180米。”最高纪录是每秒步行超过0.5米，另一项研究也报道了类似的最高速度。要将ReWalk的步行速度提高到大多数健康人轻松无压力就能达到的每秒1.3米的步行速度，对于依靠机械和前臂拐杖行走的患者来说可能还有困难。

仿生平衡

这样的步行可能会比较慢，但是技术进步却很迅速。例如，人们使用雷克斯仿生公司的外骨骼时，甚至无需使用拐杖。使用者用雷克斯的两条机械腿行走时，外骨骼捆在他的腰部和腿上的一些点上，并且分别绑在每一侧的摇杆上。雷克斯的一条机械臂包括一个控制着29个计算机处理器的摇杆。像ReWalk一样，雷克斯也能爬楼梯。与艾克索和Re-Walk相比，雷克斯能有效地携带患者爬台阶——患者只需控制摇杆，雷克斯会很流畅和精确地移动。

一些复健专家的目标是让雷克斯的摇杆变得没有必要。孔特雷拉斯-维达尔和休斯敦卫理公会医院的神经外科医生罗伯特·格罗斯曼（Robert Grossman）正在一个名为“神经雷克斯”的项目中研究如何控制雷克斯仿生设备。“我们测量患者想着向前、向左或向右移动时的脑电波，然后运用这个信息来控制外骨骼，”孔特雷拉斯-维达尔解释说，“通过观察连接人类与机械的不同方式，我们正在了解人脑以及它是如何适应这些设备的。”科学家说使用这套外骨骼系统的人们通过练习后，变得能更好地使用它了。“我们看到了使用者通过练习能更好地控制外骨骼，”孔特雷拉斯-维达尔说，他还没有发表他的研究结果，“使用者正在学习这套系统如何操作；使用者也在这套系统的环节里，外骨骼正成为使用者身体的一部分。”

拾级而上

使用诸如ReWalk这样的一些外骨骼，高位截瘫患者能上下爬楼梯。

一些脊髓损伤使得患者能站立但是不能正常行走。例如，走路需要脚踝的拉伸，也就是人们所知的跖屈。脊髓的损伤可能会使这一运动变得困难，特别是在支撑身体的重量方面。北卡罗莱纳州立大学的神经机械学专家格里高利·萨维奇（Gregory Sawicki）并不是研制一种由电机、传感器和计算机构成的系统来驱动人体运动，而是开发出了一种简单的有弹性的解决方法。本质上而言，他使用了一个由类似握拳的系统控制的弹簧来使得人们在步行的时候，在正确的时间拉伸脚踝。这个设备与其他外骨骼相比，看起来似乎更简单，但是对于想帮助脊髓损伤患者恢复步行的各种方法来说具有启示意义。

尽管外骨骼的神通广大让人印象深刻，但是它们也有其局限性。首先一点局限是，它们很笨重，很难运输。雷克斯重达38千克，而一把先进的轮椅，比如瑞典制造的Panthera轮椅，其重量能比雷克斯的重量的四分之一还要轻。

还有，现在用于行走的外骨骼并不能帮助那些由于脊髓损伤而手脚瘫痪的患者。所以包括意大利米兰理工大学的生物工程师亚历山德拉·佩德罗基（Alessandra Pedrocchi）在内的一些研究者，都专注于研究手臂的外骨骼。她和她的同事们研制了一种叫做MUNDUS的设备，它能提供电力驱动的手臂和手运动。它能由患者残存的自发肌肉运动、大脑或眼部运动来控制，或者像神经雷克斯一样，由大脑信号来控制。这个系统能帮助患者张开或合上手掌，甚至能拿起一个杯子，用吸管喝水。

确立无法想象的目标

尽管外骨骼给患者带来了这么多好处，不过，让患者从轮椅上站立起来和行走，是这一条宗旨确定了这个领域曾经无法想象的目标。外骨骼也许最终能让一个高位截瘫患者轻而易举地站立起来，毫无困难地保持平衡，用跟其他人一样的速度行走——或者，甚至还可能在海滩边跑步。这仍然只是未来的一个远景，但是至今为止的成功应该不会减少，今后的成功只会增加。当被问及在TedMed会议上感觉如何时——当时萨克尔还刚刚使用艾克索没几次——萨克尔回答说：“我刚刚走上了台阶，而我是一个高位截瘫患者，我简直惊呆了，真是不可思议！”