科幻電影中的“意念控制”在現(xiàn)實生活中是否真的存在？

2014年巴西世界杯揭幕戰(zhàn)上，一名患有截癱的巴西少年身穿一套“外骨骼”機器人，開出了本屆世界杯的第一球，從而成為全世界矚目的焦點。

在2017絲綢之路機器人創(chuàng)意大賽決賽現(xiàn)場，西安交通大學(xué)自主研發(fā)的腦控下肢外骨骼康復(fù)助行機器人榮獲亞軍。至此，腦控下肢外骨骼康復(fù)助行機器人引起了社會的廣泛關(guān)注。

近日，國際在線陜西頻道走進西安交通大學(xué)，此時正值陜西高校放暑假期間，然而，西安交通大學(xué)實驗室里，人員滿座。教師辦公樓里，也時不時能看見教師的身影。在西安交通大學(xué)中心三樓辦公室，國際在線陜西頻道有幸見到研制外骨骼康復(fù)機器人的朱愛斌老師，并對其進行了專訪。

機緣巧合腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人“出生”

見到朱愛斌老師時，他剛剛從實驗室出來，看到我們的到訪，他非常的熱情。他說：“我們交大研發(fā)了腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人，但是很多人還不知道。”朱愛斌老師所面臨的這種問題，也是很多大學(xué)科研人員正在面臨的問題，即科研成果被積壓在實驗室不為外人所熟知。

在談及為何要研制這個項目時，朱愛斌老師說：“隨著老齡化人口的增加，中國老齡人口預(yù)計到2050年將達到4.37億。在老齡人群中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。同時，因交通事故、疾病等原因造成的下肢肢體損傷的人數(shù)也逐級增加。如何讓偏癱老年人和下肢失能的人擁有和正常人一樣的生活質(zhì)量，這是我們研發(fā)下肢外骨骼康復(fù)機器人的初衷?！?/p>

據(jù)朱愛斌老師介紹，隨著機器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，在美國、日本和歐洲等國，醫(yī)療康復(fù)機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢，對于中風(fēng)、偏癱、下肢運動技能損傷等患者來說，下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人有著很好的治療效果。

近年來，朱愛斌老師帶領(lǐng)著自己的學(xué)生瞄準(zhǔn)下肢外骨骼康復(fù)機器人。下肢外骨骼機器人是穿戴在用戶下肢外部的一種典型的人機一體化系統(tǒng)，綜合了檢測、控制、信息融合等機器人技術(shù)，將用戶的智力和機器人的“體力”結(jié)合在一起，提供動力以輔助用戶的運動。

興許是冥冥之中的注定，西安交通大學(xué)的徐光華教授所研發(fā)的腦控技術(shù)和朱愛斌老師研發(fā)的下肢外骨骼康復(fù)機器人有幸結(jié)合?！敖淮笮旃馊A教授在生機電信號處理、腦機協(xié)同康復(fù)技術(shù)方面做了很多杰出的研究和應(yīng)用工作，當(dāng)我們對各方面工作深入了解后，突然覺得或許腦控技術(shù)和下肢外骨骼康復(fù)機器人可以進行結(jié)合，也正是這樣的結(jié)合，我們就合作研發(fā)出了腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人。”朱愛斌老師如是說。

造型似人體可以適用不同的路面環(huán)境

在西安交通大學(xué)實驗室里，國際在線陜西頻道見到了第三代“腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人”，它有腳、有腿，與人的下半身十分形似。

朱愛斌老師介紹，這套裝備可以輔助患者按正常人體仿生步態(tài)行走，進行康復(fù)訓(xùn)練和矯正步態(tài)，同時可以適應(yīng)不同的路面環(huán)境。通過一個頭盔，即可檢測患者的大腦神經(jīng)信號，信號將傳輸給外骨骼康復(fù)機器人，外骨骼康復(fù)機器人根據(jù)患者的意念展開行動，從而實現(xiàn)站立、行走。

據(jù)朱愛斌老師介紹，腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人的意念控制實現(xiàn)，是由西安交通大學(xué)徐光華教授團隊負責(zé)研發(fā)。腦-機接口技術(shù)，是一種不依賴于外圍神經(jīng)與肌肉的實時通信系統(tǒng)，它建立了腦電信號與機器人設(shè)備兩者間的直接聯(lián)系，通過對驅(qū)動源信號進行解碼與重新編碼，來實現(xiàn)外圍設(shè)備的控制。通俗的講，即“意念控制”。腦-機接口技術(shù)在應(yīng)用過程中，其通信和控制的信號源是由思維意圖所產(chǎn)生的腦信號，對產(chǎn)生的腦信號進行采集、處理、機器人學(xué)習(xí)、模式識別等多個途徑就可以進一步明確思維意圖，從而為控制信號與外部設(shè)備之間的直接通信和控制成為現(xiàn)實。

腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人與傳統(tǒng)的智能機器人系統(tǒng)相比，區(qū)別在于穿戴者不僅僅是智能機器控制命令的發(fā)布者或監(jiān)督者，而是成為控制回路中一個積極因素。外骨骼控制系統(tǒng)中的穿戴者，也就是人，也成為控制系統(tǒng)中的一個組織部分，即“人在回路中”(maninloop)。一方面，穿戴者為外骨骼系統(tǒng)提供系統(tǒng)所需的目標(biāo)參數(shù)相關(guān)的信息；另一方面，穿戴者充當(dāng)了控制系統(tǒng)的一個重要反饋角色，接收環(huán)境對其的反饋信息，并作出控制目標(biāo)點決策。

朱愛斌老師解釋說：“腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人結(jié)合了腦機接口技術(shù)和外骨骼技術(shù)，通過意念控制，為下肢功能障礙患者提供康復(fù)助行的基本功能。視覺誘導(dǎo)的腦機接口技術(shù)有助于患者運動神經(jīng)通路的重建，幫助患者站起來，走出去?！?/p>

國內(nèi)第一家患者可用意念實現(xiàn)站立行走

機器人技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域正在不斷發(fā)展，西安交通大學(xué)團隊克服了物理人機緊耦合系統(tǒng)智能控制要求等種種難題，截至目前，腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人已經(jīng)完成三代外骨骼的迭代設(shè)計和加工。目前西安交通大學(xué)開發(fā)的腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人造價大概在15萬元左右，本體總重約20千克。

目前，我國也有一些公司和高校在研制下肢外骨骼康復(fù)機器人，但是把腦控研究和下肢外骨骼康復(fù)機器人結(jié)合起來并形成機器人實物和應(yīng)用，在國內(nèi)，西安交通大學(xué)是第一家。

朱愛斌老師介紹說，未來腦控下肢外骨骼康復(fù)機器人，必須對于患者在不同康復(fù)時期的需求，設(shè)計“多重控制策略”，即“被動控制”、“半主動控制”、“主動控制”等?！氨粍涌刂啤保轻槍颊呖祻?fù)訓(xùn)練早期，由于患者并沒有運動肌力，無法對外施加足夠的力，所以被動控制策略是患者完全由外骨骼帶動，根據(jù)程序規(guī)劃的步態(tài)運動進行被動的步行訓(xùn)練?！鞍胫鲃涌刂啤?，是針對患者康復(fù)訓(xùn)練中期，患者恢復(fù)一定的肌力后，轉(zhuǎn)為半主動控制方式。半主動控制策略是，通過傳感器感知外骨骼穿戴者與外骨骼之間的交互力，根據(jù)交互力的大小，利用學(xué)習(xí)算法，智能控制和調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)曲線，以更加適應(yīng)穿戴者的行走習(xí)慣，使系統(tǒng)更智能化，更適應(yīng)“人在回路中”的物理人機緊耦合系統(tǒng)?！爸鲃涌刂啤?，主要針對的是患者在康復(fù)訓(xùn)練后期，隨著康復(fù)訓(xùn)練的進行，卒中和偏癱患者下肢肌肉力量及神經(jīng)功能恢復(fù)。在主動控制策略中，由外骨骼穿戴者的主動運動趨勢來進行自主的控制。外骨骼在此過程中，只是跟隨患者下肢運動趨勢，根據(jù)設(shè)定的算法，提供給患者運動需要的關(guān)節(jié)力矩，起到助力的作用。

在采訪接近尾聲時，朱愛斌老師談到目前研發(fā)所面臨的最大問題是如何將科研成果搬出實驗室，機器人成果走出實驗室，走向市場，形成產(chǎn)業(yè)化。他期待西安交通大學(xué)研發(fā)團隊研發(fā)的腦控外骨骼下肢康復(fù)機器人能夠造福社會，為下肢失能患者帶去一份健康和自信，讓患者能夠驕傲的站起來，走出去。