移動機械技術

蔡立英/編譯

●被稱為“外骨骼”的機械服可以幫助脊髓損傷的人重新站起來，并且脫離輪椅行走，但是需要經過訓練。

在2011年TedMed會議上，當37歲的保羅·薩克爾（Paul Thacker）用他的前臂拄著拐杖費勁地慢慢走上加利福尼亞州圣迭戈科羅拉多酒店的臺階時，他忍不住咕噥了一下。人群中掌聲雷動。他蹣跚的步履看起來幾乎不值得喝彩，尤其對于一個職業運動員來說。保羅曾是世界雪地摩托車跳遠紀錄保持者，他的跳躍距離達到了一個足球場的長度。但是，這不是普通的步行，因為保羅現在高位截癱。

保羅·薩克爾，在一次滑雪事故中胸部以下癱瘓，使用了一副有4個電機和15個傳感器的外骨骼后，他才能重新行走。

在2010年11月，薩克爾在一次跳遠訓練中摔得粉碎，在他的博客中，他把這個事故描述為“有一點失去平衡”，“把我的脊背摔碎了，從胸部以下失去知覺。”但是薩克爾和其他受到類似損傷的人不久可能把他們的輪椅換成 “外骨骼”——一種機電動態援助設備，就像薩克爾在TedMed會議上使用的，它能使那些由于脊髓損傷而癱瘓的人從輪椅上站起來行走。

支持癱瘓病人站立行走的設備最初在20世紀90年代出現，但是早期的設備需要從頭到腳的裝備，患者只能被限制在跑步機上行走。這一情況如今已得到改變，現在的外骨骼是能夠有效穿戴的自動器械，能為移動提供能量。由加利福尼亞州里士滿的艾克索仿生公司、總部設在新西蘭奧克蘭的雷克斯仿生公司和以色列的阿爾戈醫療技術公司生產的外骨骼商品已經投放市場了。另一種商用化的設備不久也將發布，還有更多的設備正在研制中。

“這是一個非常激動人心的時刻。”在美國得克薩斯州休斯敦大學專門從事醫療器械研究的何塞·孔特雷拉斯-維達爾（José Contreras-Vidal）說。 早期的使用者們已經對這些設備表示了贊同。在紐約布朗克斯的詹姆斯J.彼得斯VA醫學中心工作的運動生理學家安·思普恩（Ann Spungen），就幫助過患者使用這些設備。“當我看到患者欣喜若狂時，我的感覺真是好極了，”她說，“他們非常喜歡站立起來，和人們做眼神交流。最初幾次嘗試行走時，他們的家庭成員會過來陪在他們身邊，然后患者還想走上樓梯。”

得到支持的支持

在一些情況下，上樓對于外骨骼來說仍然是一個挑戰。現在，即使是外骨骼也需要一些幫助，比如薩克爾在TedMed會議上用來登上臺階的拐杖。他使用的是艾克索仿生公司生產的外骨骼，所以就稱其為艾克索了。

這個設備從患者的肩膀上套上——讓人想起過山車時綁在身上的吊索——背帶穿過軀干綁到腿和腳上。它包括捆在臀部和膝蓋上的4個電機，和跟蹤記錄關節角度以及多種其他參數的15個傳感器。裝在外骨骼一個小背包似的部位的一臺計算機，控制著肢體運動。

艾克索有三種操作模式，最簡單的操作模式叫“第一步”，由物理治療師使用一個遙控設備控制患者的腳步。更高水平的操作模式叫“活動步”，患者通過拐杖或助行器上的按鈕控制腳步。艾克索功能的最高端的操作模式叫“前移步”，患者身體前傾，邁出第一步，然后外骨骼的電機會接管過來幫助患者行走。在TedMed會議上，薩克爾使用了基本的“第一步”模式，一個助手跟在他身后，使用一個遙控艾克索的遙控器驅動他的腳步。助手緊跟在薩克爾身邊，當他需要時幫助他站穩。

阿爾戈的產品ReWalk的操作方式與艾克索類似。電機、傳感器和計算機控制著患者的移動，前臂拐杖幫助使用者保持平衡。“使用阿爾戈的Re-Walk，患者控制腳步，就像一個晃晃蕩蕩走路的人失去平衡之后又重獲平衡。”思普恩說。使用者按一下按鈕，然后隨著外骨骼的電流和機械系統前傾，就邁出了一步。

思普恩和她的同事們研究了ReWalk的行走機制，他們測量了垂直的地面反作用力——實質就是在上下方向上一只腳所承受的重量。使用外骨骼行走的人典型地產生了與正常人行走相似的作用力。“ReWalk通過腳跟蹬地、足中跨步和腳尖離地，很好地刺激了自然行走。”她說。

ReWalk還能幫助脊髓損傷的患者完成更高級的運動。“它還能一次爬一級臺階。”思普恩說。ReWalk并不只是把一條腿搖晃到前面，而是能足夠活動臀部和膝蓋從而抬起一條腿拾級而上。但是患者上下臺階時，一般還是會在一邊使用一個前臂拐杖，另一邊握住一個扶手，以保持平衡。

因為這項技術是這么新，像思普恩這樣的研究團隊主要把精力專注于訓練患者有效地使用外骨骼。“我們的患者分三個階段每周行走4~6個小時，”她說，“他們有一個學習曲線，但是他們變得越有效地使用外骨骼，行走就變得越容易。他們一般在6分鐘里能步行140~180米。”最高紀錄是每秒步行超過0.5米，另一項研究也報道了類似的最高速度。要將ReWalk的步行速度提高到大多數健康人輕松無壓力就能達到的每秒1.3米的步行速度，對于依靠機械和前臂拐杖行走的患者來說可能還有困難。

仿生平衡

這樣的步行可能會比較慢，但是技術進步卻很迅速。例如，人們使用雷克斯仿生公司的外骨骼時，甚至無需使用拐杖。使用者用雷克斯的兩條機械腿行走時，外骨骼捆在他的腰部和腿上的一些點上，并且分別綁在每一側的搖桿上。雷克斯的一條機械臂包括一個控制著29個計算機處理器的搖桿。像ReWalk一樣，雷克斯也能爬樓梯。與艾克索和Re-Walk相比，雷克斯能有效地攜帶患者爬臺階——患者只需控制搖桿，雷克斯會很流暢和精確地移動。

一些復健專家的目標是讓雷克斯的搖桿變得沒有必要。孔特雷拉斯-維達爾和休斯敦衛理公會醫院的神經外科醫生羅伯特·格羅斯曼（Robert Grossman）正在一個名為“神經雷克斯”的項目中研究如何控制雷克斯仿生設備。“我們測量患者想著向前、向左或向右移動時的腦電波，然后運用這個信息來控制外骨骼，”孔特雷拉斯-維達爾解釋說，“通過觀察連接人類與機械的不同方式，我們正在了解人腦以及它是如何適應這些設備的。”科學家說使用這套外骨骼系統的人們通過練習后，變得能更好地使用它了。“我們看到了使用者通過練習能更好地控制外骨骼，”孔特雷拉斯-維達爾說，他還沒有發表他的研究結果，“使用者正在學習這套系統如何操作；使用者也在這套系統的環節里，外骨骼正成為使用者身體的一部分。”

拾級而上

使用諸如ReWalk這樣的一些外骨骼，高位截癱患者能上下爬樓梯。

一些脊髓損傷使得患者能站立但是不能正常行走。例如，走路需要腳踝的拉伸，也就是人們所知的跖屈。脊髓的損傷可能會使這一運動變得困難，特別是在支撐身體的重量方面。北卡羅萊納州立大學的神經機械學專家格里高利·薩維奇（Gregory Sawicki）并不是研制一種由電機、傳感器和計算機構成的系統來驅動人體運動，而是開發出了一種簡單的有彈性的解決方法。本質上而言，他使用了一個由類似握拳的系統控制的彈簧來使得人們在步行的時候，在正確的時間拉伸腳踝。這個設備與其他外骨骼相比，看起來似乎更簡單，但是對于想幫助脊髓損傷患者恢復步行的各種方法來說具有啟示意義。

盡管外骨骼的神通廣大讓人印象深刻，但是它們也有其局限性。首先一點局限是，它們很笨重，很難運輸。雷克斯重達38千克，而一把先進的輪椅，比如瑞典制造的Panthera輪椅，其重量能比雷克斯的重量的四分之一還要輕。

還有，現在用于行走的外骨骼并不能幫助那些由于脊髓損傷而手腳癱瘓的患者。所以包括意大利米蘭理工大學的生物工程師亞歷山德拉·佩德羅基（Alessandra Pedrocchi）在內的一些研究者，都專注于研究手臂的外骨骼。她和她的同事們研制了一種叫做MUNDUS的設備，它能提供電力驅動的手臂和手運動。它能由患者殘存的自發肌肉運動、大腦或眼部運動來控制，或者像神經雷克斯一樣，由大腦信號來控制。這個系統能幫助患者張開或合上手掌，甚至能拿起一個杯子，用吸管喝水。

確立無法想象的目標

盡管外骨骼給患者帶來了這么多好處，不過，讓患者從輪椅上站立起來和行走，是這一條宗旨確定了這個領域曾經無法想象的目標。外骨骼也許最終能讓一個高位截癱患者輕而易舉地站立起來，毫無困難地保持平衡，用跟其他人一樣的速度行走——或者，甚至還可能在海灘邊跑步。這仍然只是未來的一個遠景，但是至今為止的成功應該不會減少，今后的成功只會增加。當被問及在TedMed會議上感覺如何時——當時薩克爾還剛剛使用艾克索沒幾次——薩克爾回答說：“我剛剛走上了臺階，而我是一個高位截癱患者，我簡直驚呆了，真是不可思議！”