【科技观察】软体机器人在康复中的新应用 国内民用

admin 5月前 29


软体机器人(Soft Robotics)可以说是现代机器人产业中的一股“泥石流”,和目前机器人最常用的刚性结构不同的是: 软体机器人具有多自由度且结构简单。 因此,软体机器人能够在保证灵活性和柔韧性的同时,在三维空间中自由活动。


谈及柔性机器人,不得不提到哈佛大学。哈佛大学极具个性,喜欢“不走寻常路”。正当MIT在开发一些狂拽酷炫吊炸天的机器人的时候,比如这种:


▲ MIT研发的Cheetah Robot

或者是这种:


▲ 波士顿动力Altas双足机器人

再或者是这种:


▲ MIT-Nexi MDS Robot

作为MIT的隔壁邻居,哈佛大学表示自己压力很大。但是哥就是有个性,就要和你不一样!结果开发出了这种蠢萌型的机器人:


▲ 哈佛大学Whitesides教授于2011开发的第一代柔性机器人

然后,还有这种:



▲ 2016年,哈佛大学 Wyss 生物工程研究所开发的Otobot软体机器人

一石激起千层浪。什么?机器人还能这么玩?! 大家都被这种“非主流机器人”震惊到了。


此后,软体机器人就进入了蓬勃发展期:软体仿生机器人、柔性机器手、柔性手术抓紧器等一个个应运而生。

小编也厚脸皮地贴一张研究生时期设计的一款可穿戴柔性机器手指~请各位轻拍哦~


言归正题,说到把软体机器人和康复辅助具联系起来的始作俑者,就不得不提到哈佛大学Wyss实验室的Connor Walsh教授。Connor Walsh研究生毕业于都柏林大学三一学院机械工程专业。在学生时代,他听说了美国研发的机械外骨骼如何帮助人搬运重物,此后便开始着迷于机器人技术。随后,他申请攻读MIT博士学位,在世界著名的生物力学专家 Hugh Herr教授那里做研究。当 Walsh 搬到哈佛,设立了生物设计研究所之后,他决定另辟蹊径——开发“柔性机器人”。



▲ Professor Connor Walsh


本文主要介绍他的两个代表作:柔性手部康复手套和下肢柔性外骨骼。

一、气动驱动式柔性手部康复手套



▲ 气动驱动式柔性手部康复手套

这款康复手套使用的是一种人造气动肌肉,其本身就是一种橡胶材料。肌肉内部有不同形状的空腔,通过气泵对肌肉充气就能使其形变。

在Connor Walsh最新的一篇论文当中,气动肌肉可以模拟出人真实的手指活动轨迹(如下图)。


▲ 气动肌肉可精确模拟出食指的轨迹


▲ 气动肌肉也可精确模拟出大拇指运动轨迹

因此,这种气动式柔性结构与躯体非常贴合,而且引导过程遵循人体生物力学,所以非常适用于中风病人的手功能康复。


二、柔性下肢外骨骼

对于Connor Walsh的另外一款下肢外骨骼产品——Soft Exosuits,大家可能了解的就比较多了。


▲ Soft Exosuits

和上面一款气动手套不同的是:这款下肢柔性机器人是利用“电机+线驱”的方式。这种外骨骼的原理是:将绷带捆在使用者的小腿肌肉上;加载类似自行车刹车线做成的的滑轮装置(Pulleys),线的一端连在小腿绷带上,另一端连在用户背后的电机装置上。当使用者要抬起脚迈步时,动力装置会拉紧滑轮线,从而帮助使用者进行抬腿动作。

随后,当脚朝前运动的时候,另一条连接在鞋尖的线缆会收紧,所以用户脚尖不会拖在地上。该功能将有效改善“足下垂(Foot Drop)”,这也是中风患者行走的普遍难点。

穿上这款外骨骼产品,无法控制自身肌肉的患者们饱受困扰的一个关键问题——行走困难,可以得到缓解。通过这种方式,他们能够抬起腿,同样重要的是,他们的脚趾尖不会向下坠,这样脚尖不会在行走时拖在地上以至于摔倒。

当然,这种柔性外骨骼也并非十全十美。由于其本身电机无法提供强大的动力、而且柔性结构也无法提供足够有效的支撑,所以该产品只能针对具有一定行走能力的人群使用。 对于截瘫患者来说,刚性外骨骼还是具有天然优势。

目前,这类软体机器人仍停留在试验阶段,距离商业化仍有很长的路要走,我们期待软体机器人在未来会有更大的发展。



参考资料:

[1] Laschi, Cecilia, Barbara Mazzolai, and Matteo Cianchetti. "Soft robotics: Technologies and systems pushing the boundaries of robot abilities." Science Robotics 1.1 (2016): eaah3690.

[2] Asbeck, Alan T., et al. "A biologically inspired soft exosuit for walking assistance." The International Journal of Robotics Research (2015): 0278364914562476.

[3] Polygerinos, Panagiotis, et al. "Soft robotic glove for hand rehabilitation and task specific training." 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE, 2015.


如何?看了上述的报道,是否也心潮澎湃起来了?2016年傅利叶杯中国康复人创意大赛已成功落幕,但是中国的康复人不会停止创意革新的脚步,让我们一起期待2017年傅利叶杯中国康复人创意大赛~ 进击!中国的康复人!


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