麻省理工學院仿生假肢博士后

34歲MIT博士后楊興幫的人生格外“硬朗”，他生于年平均氣溫僅有3.3攝氏度的黑龍江省綏化市，本科和博士（直博）均畢業(yè)于北航。目前已經(jīng)身為人父的他，談及2021年夏天結束博后研究時去向，答案只有四個字：回國任教。

而他的研究領域也很硬——康復輔助醫(yī)療，他發(fā)表了以《可實現(xiàn)跖屈-背屈雙向運動輔助的線纜驅(qū)動可攜帶式踝關節(jié)外骨骼》為題的論文。

論文介紹了一種可攜帶線纜驅(qū)動的踝關節(jié)外骨骼（下稱“外骨骼”），他表示，該設備主要面向踝關節(jié)功能未完全受損的足下垂患者，目的是通過機械訓練讓其恢復健康。

由于腦卒中、脊髓損傷或外傷等原因，足下垂患者的腳尖會不由自主地往下拖，稍不注意就會走路跌倒，進而引起關節(jié)損傷。而外骨骼擁有雙向運動輔助功能，可通過主動控制把患者腳尖拉起來，從而保障正常行走。

楊興幫

可攜帶線纜驅(qū)動的踩關節(jié)外骨骼

楊興幫表示，外骨骼的目標是讓用戶穿上后，能獲得走路所需的關節(jié)力矩（力對物體作用時所產(chǎn)生的轉動效應的物理量），同時提供正常的矯正步態(tài)，理論上患者不用出力就能正常行走。

外骨骼有7公斤重，主包含四部分：腳踝外骨骼、電源輸出模塊、線纜傳輸系統(tǒng)、傳感及控制模塊。

第一部分是腳踝外骨骼，是外骨骼的主要執(zhí)行部分，其主要作用在腳上，上部與一些管件連接，這些管件是線纜傳遞動力的通道，可對下肢起到保護作用;

第二部分是電源輸出模塊，內(nèi)含22.2V、容量為5300mAh的鋰電池;

第三部分是線纜傳輸系統(tǒng)，負責將電機動力傳遞到末端，從而為腳步踝關節(jié)運動提供動力，并能起到輔助換向作用;

第四部分是傳感及控制模塊，主要通過足底壓力傳感器和IMU（Inertial Measurement Unit，一種與人體兼容的傳感器）實現(xiàn)步態(tài)實時識別，并通過控制系統(tǒng)按照腳踝輸出力矩的規(guī)律，來提供仿生力矩從而輔助患者運動。

具體工作時，主要涉及到以下步驟：首先，線纜會把動力從系在腰部的電機傳遞到腳部踝關節(jié);其次是步態(tài)信息采集和識別，該設備采用足底壓力傳感器和IMU相結合的方式來采集行走信息，通過數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)行走步態(tài)的實時識別;隨后，控制模塊將信息進行處理和分析，進行步態(tài)預測、并按照實時步態(tài)的特定時刻，來提供與腳踝力矩相同的輔助力矩，使設備力矩輸出與人體步態(tài)實時結合，從而實現(xiàn)更好的人機相容。

比如，用戶在某一步態(tài)時刻所需要的踝關節(jié)力矩，都可根據(jù)自身需求及腳踝力矩數(shù)據(jù)設定好，此外外骨骼還能根據(jù)行走步態(tài)、將助力曲線輪廓做實時變化，也能通過歷史步態(tài)規(guī)律來實時預測當前步態(tài)。

腳踩外骨骼（a）的概述、電源輸出模塊（b）的概述以及線纜傳輸系統(tǒng)（c）的膝部模塊的詳細示意圖

足部壓力傳感器（a）的腳趾、前掌和腳跟的測量單位以及IMU（b）的放置

外骨骼在矢狀面上踩關節(jié)運動的受力和運動分析

雙向運動設計+腰部負重線纜系統(tǒng)，用戶佩戴更輕松

相比此前多數(shù)同類設備，外骨骼可實珊雙向運動輔助。人體腳踝的雙向運動，指的是踝關節(jié)可以朝兩個方向運動，腳平時可以往上或往下轉動，往上轉動叫背屈，往下轉動叫跖屈。

背屈和跖屈

此前也有設備可做雙向運動輔助，但設備普遍較重，因為它們大多把電機裝載在末端即靠近腳踝處進行驅(qū)動，這樣末端附加的轉動慣量就會比較大，用戶要消耗力氣也更大，設備對末端的控制精度也會打折扣。

基于此，該團隊提出了線纜驅(qū)動方案，通過腳跟和前掌的4根線纜提供動力、配合齒輪一滑輪換向結構以及運動控制，實現(xiàn)了踝關節(jié)跖屈一背屈的雙向運動。優(yōu)點在于可將主要質(zhì)量集中在身體近端，減小身體遠端的質(zhì)量，從而減小附加轉動慣量，佩戴起來更輕更舒適。

而雙向運動輔助的好處，是能提高腳踝輔助功率，其原理是人腳在行走過程中，肌肉做功雖然主要在跖屈階段，但在腳離地擺動階段，也會有一個背屈運動，如果加一個輔助力，就能讓人更省力。

值得一提的是，外骨骼的主要動力部件集中在腰部，通過線纜傳輸系統(tǒng)將輔助力傳遞到腳步。這樣做的好處是可以減少身體末端負重，因為身體下端負重越大，附加轉動慣量越大，佩戴就越不舒服。

比如，一些運動員為訓練腿部肌肉，會在腿部或腰部穿沙袋，正是為了增加末端負重，增加肌肉訓練強度。末端負重越大、力臂就越長，驅(qū)動負載所需的力矩也就越大，但對正常人來說，這個力矩其實是多余的，反而會增加穿戴者的能量消耗。

測量前腳拉索角θf、后跟拉索角θh和腳踩旋轉角θa

從人體功效設計角度來說，將重量都放在人體近端，遠端少放一點，那么腳部外力（慣性力）就會更小，抬腳也比較省事。因此，減少多余的轉動慣量，為的就是減小人體做的無用功，從外骨骼角度來說，還能減小外骨骼的功耗并提高控制效率及精度。一言以蔽之，如果不想讓用戶自己去克服，那就需要讓機器來克服。

為測試設計效果，在無EXO（外骨骼）、有EXO斷電和通電三種條件下，受試者佩戴上外骨骼后的小腿比目魚肌運動量分別有所不同。當受試者穿著助力功能開啟的外骨骼時，比目魚肌的活動比不穿外骨骼時減少了5.2%，比穿戴助力功能關閉的外骨骼時節(jié)省了16.7%的能量。

測試效果

佩戴外骨骼在跑步機上行走

在設備研發(fā)過程中，該團隊專門研發(fā)出力反饋控制算法，還開發(fā)出了識別步態(tài)狀態(tài)的仿生控制功能。仿生控制可追蹤生物腳踝力矩，只有知道用戶的具體步態(tài)時刻，才能在確定的步態(tài)時刻給到特定值。同時，只有知道特定步態(tài)和特定時間點的力，才能判斷外骨骼需要在何時給力，這一過程就叫人機步態(tài)同步。

在測試中，一位22歲的佩戴者穿上外骨骼，就可實現(xiàn)在跑步機上行走。楊興幫說，未來外骨骼有望實現(xiàn)讓用戶在跑步機上跑步。長遠來看，外骨骼也可對任意健康人群施加行走助力和跑步助力，但考慮到速度和沖擊的影響，還需在結構和功率上加以改進。

博后跟隨MIT仿生義肢權威休赫爾，數(shù)月后即將學成歸國

麻省理工學院（MIT）教授休赫爾

楊興幫的博后導師是休赫爾（Hugh Herr），后者是MIT媒體實驗室生物機械電子組的負責人。談及來到該小組做研究，他說自己發(fā)郵件和赫爾聯(lián)系過幾次，對于赫爾研究的康復輔助設備他也非常感興趣。與此同時，北航目前也在全力支持生物醫(yī)學的發(fā)展。經(jīng)過面試后，楊興幫順利來到該實驗室。

赫爾是MIT的終身教授，17歲時因爬山遇暴風雪雙腿凍傷而截肢，然而他并沒有一蹶不振，悲天憫人，此后多年他不僅自研假肢繼續(xù)攀巖，還成為仿生義肢的科研領軍人物，并成立公司落地了多款產(chǎn)品。能跟著如此重磅的導師做科研，對于楊興幫未來歸國任教，一定會大有裨益。

2021年8月，楊興幫即將結束博士后研究，他表示到時肯定會回國任教，以及繼續(xù)研究仿生機器人和康復輔助醫(yī)療。

現(xiàn)在雖然他人在美國，但也在遠程協(xié)助北航的導師帶學生。這位博后爸爸，有一個2歲半的兒子。對于幾個月后回國發(fā)展，這位家鄉(xiāng)位于東北的學者有著自己的愿望：

“在教學上，我比較喜歡分享自己的所學和所感，也比較喜歡將自己所知教授給學生;在科研方面，我比較享受科研成果產(chǎn)出所帶來的樂趣，希望能研究出造福于運動缺失患者的技術;從國家需求方面，我很愿意投身生物醫(yī)療相關技術及康復設備的研究。也就是希望在滿足國家需求的同時，還能結合自己的興趣做出一些成果來實現(xiàn)自我發(fā)展。”

（摘自關《深科技》）（編輯/萊西）