轉載從: Tech News 科技新報
普通人一定想像不出哈佛工程師 Conor Walsh 的實驗室是什麼樣子。這裡既沒有離心機，沒有通風櫃，也沒有成排的試管──而是掛滿了各式各樣的衣服。
在實驗室的一頭，站立著一組穿著 T 恤和運動褲的假人模特。它們背後擺放著一排排的運動服和跑步鞋。在另一面牆的架子上，短褲和褲襪被仔細的疊好，並且細心地標註著尺碼。在衛報記者 Robin McKie 的一次訪問中，他看到一個學生在給一條短褲縫補丁。
如果這家實驗室出現在商業街上，你會把它當做是某高階訂製運動品牌的門店。但這不是耐吉的實驗室。這是哈佛大學生物設計研究所，它進行著一項會顛覆現有軟體機器人技術的專案。該專案還計劃改變中風患者的命運──幫助他們行走。
Conor Walsh 教授是該實驗室的負責人，他說：「簡單來說，我們在做能提供動力的衣服，幫助移動能力受限的病人重新動起來。這些『衣服』能幫他們抬起腳並且重新行走。這是動力服領域的終極課題。」
▲ Conor Walsh（左）和同事。
由於他的傑出研究， 35 歲的 Conor Walsh 在上星期洛杉磯的一場典禮上被授予勞力士雄才偉略大獎（ Rolex award for enterprise）。他計劃把獲得的 10 萬瑞郎 （約台幣 317 萬 2,000 元）獎金用於軟體機器人技術的研發上，以開發能幫助士兵和體力工作者搬運重物的柔性動力服。他還計劃把研究成果應用到其他醫療領域，幫助帕金森氏症和腦性麻痺患者，以及遭受其他病症而行動力受限的人。
▲ 哈佛大學之前開發的、能幫助士兵搬運重物的柔性動力服系統。
Conor Walsh 放棄機械動力服，轉而研究柔性動力服
Walsh 是都柏林三一學院生產製造和機械工程專業的研究生。在學生時代，當他聽說美國研發的機械動力服是如何幫助人搬運重物，他開始著迷於機器人技術。簡單地說，機械動力服是一個硬的、像機器人一樣的外殼。它能把使用者裝在裡面並且帶著他行走。想像一下《鋼鐵人》裡面 Robert Downey Jr 穿的金屬盔甲，還有電影《異形》裡 Sigourney Weaver 大戰異形時駕駛的機械骨架。
Walsh 認為這些看起來太酷了，所以他申請到 MIT 生物力學專家 Hugh Herr 那裡做博士研究。但是，當 Walsh 接觸剛性機械動力服，他發現它們的使用體驗很不好。
「穿著它們就像困在一副機器人盔甲裡面，很硬、很不舒服、很笨拙費勁，這副盔甲有時還不能像人那樣移動。」
所以當 Walsh 搬到哈佛，設立了生物設計研究所之後，他決定採用另一條路線。他表示：
「我當時立刻意識到，如果有一副柔性動力服向你指出正確的移動方式，穿起來舒適，並且不讓你感到費勁，這會有巨大的生物醫療應用前景。我開始想，我們能不能開發出柔軟的可穿戴機器人呢？」
答案被證明是「能」。Walsh 和同事 Terry Ellis、Louis Awad、Ken Holt 一起，與電氣工程、機械工程、材料科學和神經科學領域的專家們合作，開發出了一種很巧妙但其實技術難度並不高的行走助力方式：柔性動力服。
柔性動力服的原理和結構
這副動力服的原理是：一條布帶捆在使用者的小腿肚肌肉上；用自行車刹車線做成的的帶輪裝置（pulleys），一端連在小腿布帶上，另一端連在用戶背後的動力裝置上。當使用者要抬起腳邁步時，動力裝置會拉動帶輪線纜，這幫助使用者進行抬腿動作。隨後，當腳朝前動作的時候，另一條連接在鞋尖的線纜會收緊，所以用戶腳尖不會拖在地上。該情況被稱為「足下垂」（foot drop），是中風患者行走的普遍難點。
透過這種方式，無法控制自身肌肉的患者們，一個飽受困擾的關鍵問題──行走，得到了緩解。他們可以抬起腿，同樣重要的是，他們的腳趾尖不會向下墜，這樣腳尖不會在行走時拖在地上以至於摔倒。這是完美的行走協助裝置。
Walsh 解釋：「輔助特定關節的動力服是前所未有的，在過去，人們全都只想著研發覆蓋整條腿的動力服。而我們只專注於一個關節。關鍵的是，在中風病例中，這個關節是行動受損最嚴重的。另外，我們做到了讓材料很輕並且很容易穿戴。簡單的就是最好的，這是我們的座右銘。」
在早期的設計中，拉動線纜以幫助使用者抬腿、抬腳尖的帶輪，被一個類似於像是手推車的裝置驅動，它需要跟隨著使用者。而目前的動力裝置已大幅縮減了體積，這是該系統最關鍵的改進之一。現在，它只重 4.5kg，背著它的使用者不至於太累。Walsh 認為在不久的將來，他們可以進一步縮小動力裝置：「馬達會變得更輕，電池也會更輕，這些都是很大的好處。」
▲ 改進後的驅動裝置。
動力裝置還內含慣性測算單元（ inertial measurement units，IMU），它們會分析使用者腳部移動的力量，並相應地拉升或者降低帶輪。為了讓系統正常工作，感測器必須精確到毫秒。Walsh 說，驅動的時機絕對是最關鍵的。
這套柔性動力服已經成功進行了測試。穿著它的中風患者在跑步機上慢走的影片，證明了它提升人們行動能力的效果。當穿上柔性動力服之後，患者們不再需要倚著手杖，他們的腳步變得更快且更有信心。Walsh 強調，他們的系統並不是行動力受限的唯一解決方案。剛性機械動力服永遠會有用處，比如針對全身癱瘓的患者。但對於不那麼嚴重的情況，輕便靈活的柔性動力服會是更好的選擇。
柔性動力服對中風患者的意義
據衛報報導，每年英國都有約 11 萬人遭受中風。 大多數患者能活下來，但中風仍舊是英國第三大死亡原因，僅次於心臟病和癌症。中風發生的原因是腦部血液輸送中斷，這通常是由血液凝結塊或者血管爆裂引起。中風會影響肌肉的工作。英國中風協會指出，大腦透過神經向肌肉傳遞命令訊號，來使肌肉動作。中風給大腦造成損傷，也打斷了這些訊號。典型的中風症狀包括足下垂和軟弱無力沒精神，病人感到疲勞並且動作笨拙，這讓他們更難以控制肢體動作。
哈佛大學 Wyss 生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）也參加了這個柔性動力服專案。 它的研究員 Ignacio Galiana 說，「中風患者往往選擇遠離社會，他們不再外出，不再參加社交活動，甚至也不再去孫子的運動會。他們選擇待在家裡，不再鍛鍊身體，因為這耗費精力也很累。他們從我們的世界中消失。透過讓他們能再次行走，我們希望不再讓這樣的情況發生。」
這個柔性動力服的設計目標並不是全天的穿戴，而是讓中風患者每天能穿著它出去晃幾個小時，不至於精疲力盡。這個裝置應該也能在說明患者重新行走的康復物理治療中派上用場。Walsh 說：「這是一個能極大加速、延伸中風患者康復過程的工具。有了柔性動力服，患者們不再需要考慮怎麼行走，這會變得更自然，就像他們中風前一樣。」
至於臨床應用的日期，Walsh 展望他的團隊能夠在 3 年左右把原型機推向市場。柔性動力服並不會局限於幫助中風患者。Walsh 補充：「腦性麻痺、阿茲海默症（老年癡呆症）、多重硬化症，帕金森氏症、老年行動不便等情況全都可以從這副裝置獲益。當肌肉不再有足夠的力量讓人走動，柔軟的、可穿戴的機器人會幫助他們。」
（本文由 雷鋒網 授權轉載）