思想胜于机器
定制的关节，大脑控制的外骨骼结合起来，使截瘫患者能够行走
休斯顿大学的一个研究实验室正在开发一种动力外骨骼——在Protolabs的帮助下，Protolabs提供定制的铝关节外壳——这将成为未来脑机机器人系统的一部分。
这是一项快速的努力，将外骨骼的放大版本从科幻小说带到现实世界，这将帮助截瘫患者重新行走。外骨骼版本曾出现在《异形》和《阿凡达》等电影中。
一个包括工程师、神经科学家、卫生专业人员和学生在内的多学科研究团队正在从零开始，努力创造一种动力可穿戴机器人设备，使那些因脊髓损伤、疾病或中风而下肢瘫痪的人可以在没有助行器或拐杖的情况下恢复行动能力。
该项目是在该大学的非侵入性脑机接口系统实验室进行的，科幻元素延续了这个项目。正如实验室充满未来感的名字所暗示的那样，最终目标是允许用户控制外骨骼——命令它前进或后退、转弯、坐着或站着——通过他们的思想，而不是其他设备典型的操纵杆、开关或外部操作员。
唯一更神奇的事情可能是实验室主任、卡伦大学电气与计算机工程教授何塞·孔特雷拉斯-维达尔(Jose Contreras-Vidal)为这个项目设定的极其雄心勃勃的最后期限。虽然该实验室在脑机接口方面拥有丰富的经验，但开发动力外骨骼机器人是其首次尝试开发自己的硬件。
然而，他们的计划是为用户准备一个工作模型，即飞行员，参加10月在苏黎世举行的国际竞赛Cybathlon的动力外骨骼比赛。该活动的特点是身体受损的人使用最新的辅助技术，在许多情况下，与拥有多年经验和监管批准的公司的商业系统进行竞争。这意味着，在孔特雷拉斯-维达尔和学生们在2015年秋天的课堂上开始就外骨骼进行头脑风暴后，不到10个月就准备好了一个工作模型。相比之下，最近获得美国食品和药物管理局(fda)批准的一种下肢外骨骼是经过10年密集研发的结果。
封闭系统限制发展
孔特雷拉斯-维达尔说，脑机接口实验室的研究重点是开发“倾听大脑，提取意图，并使用这些信号来控制可穿戴机器人”的设备。在测试中，该实验室已经使用脑机接口来控制上肢外骨骼、带有驱动手指的上肢义肢和下肢外骨骼。“监听”是通过戴在使用者头上的脑电图(EEG)帽进行的，它使用一组电极来检测大脑中的电活动。
当使用者使用外骨骼进行一系列动作时，脑机接口会测量使用者的脑电波。该系统使用先进的算法来绘制用户每个动作的脑电波。脑机接口学会解释与这些动作相关的大脑信号，以了解用户什么时候想走，什么时候想停下来。用户还需要训练才能进入这些心理状态，这样系统才能正确地解释它们。该实验室正在使用各种机器学习方法来训练机器，使其成为将该技术应用于控制下肢外骨骼的先驱。
“我们可能是第一个在瘫痪患者身上展示非侵入性脑机接口到外骨骼的团队，”孔特雷拉斯-维达尔说。“从那以后，我们一直在尝试挑战极限，以更好地理解参与者的意图。我们可以让机器做我们想做的事。”
然而，继续改进脑机接口的努力遇到了障碍，因为大多数商用下肢外骨骼制造商拒绝开放他们的系统，让机器接口运行他们的设备。总部位于新西兰的Rex Bionics公司已经允许实验室使用其脑机接口来控制其中一个外骨骼的高级功能，指导它转弯、停止或启动。然而，孔特雷拉斯-维达尔想要访问底层控制，以指定机器人如何一步一步地移动，使其更自然，甚至可以单独识别人类的步态。就在那时，他决定进入硬件行业，着手让实验室开发自己的外骨骼，作为一个开放平台，在这个平台上测试和开发控制架构，包括其“前沿”脑机接口技术。
快速车削加工支持快速进步
实验室团队设计了一种可穿戴机器人，它有六个驱动关节，分别位于脚踝、膝盖和臀部，就像孔特雷拉斯-维达尔所说的“外骨骼肌肉”。覆盖这些机械肌肉的是Protolabs定制的铝制外壳。据该实验室的首席研究技术人员Jeffrey Gorges介绍，在实验室自行设定的严格期限内设计、制造和调整设备时，快速获得部件是至关重要的。将CAD图纸上传到Protolabs的在线设计分析和报价系统，帮助整个过程快速启动。
戈尔格斯说:“如果你把同样的零部件拿到维修厂，他们可能会说，‘好的，四到六周后我们会给你答复。’”“在Protolabs的3天时间里，我们就多了整整两个月的时间。这是巨大的，因为我们无法测试我们的控制，除非我们有硬件在手。我们每天都在更好地改善这个系统。”
戈尔格斯说，该实验室使用自己的3D打印机创建了“0.1版本”的外壳，以评估组装、组装过程以及组件如何在内部堆叠。该实验室正在使用3D打印技术生产用于外骨骼的碳纤维支架和用于电子设备的外壳。休斯顿的贝勒医学院(Baylor College of Medicine)有一个矫形和义肢项目，正在制作这种牙套。
然而，3d打印的外壳无法进行负载测试，因此实验室让Protolabs制作了一个小的单关节进行测试。Protolabs的第二个版本的外壳现在正在使用中，设计上的改进可能会导致进一步的迭代。戈尔格斯说，对于承重关节部件，实验室正在使用飞机级铝7075，因为它重量轻，刚性强。该材料还具有较高的抗拉强度和耐腐蚀性。“最大的问题是最小化外骨骼的尺寸和重量，同时也要有合理的成本，”戈尔格斯说。
在实验室的要求下，Protolabs同意赞助其制造的部分部件的成本。Contreras-Vidal说:“我们对Protolabs的快速转变和对项目的兴趣感到惊讶。”“我们真的很感激。”
专利，批准申请，即将到来的竞争
戈尔格斯说，包括铝制外壳在内的所有部件在初步测试中都表现良好。
Contreras-Vidal解释说:“这些部分是系统中的关键点。“外壳不仅是执行器和齿轮减速器的位置，而且它与系统的其他部分连接。我们已经做了很多台架试验，我们已经试验了很多很多次。他们一直做得很好。”
康特拉斯-维达尔已经提交了脑机接口和外骨骼的专利文件。一旦实验室完成原型，他将寻求FDA的批准，FDA将外骨骼作为II类设备进行监管。与此同时，随着Cybathlon比赛的临近，外骨骼的开发、脑机接口和飞行员的培训将继续进行。他还展望了该系统最终的商业化。一位行业高管表示，帮助截瘫患者行走的设备市场在10年内将突破10亿美元。
孔特雷拉斯-维达尔说，让下肢瘫痪的人重新行走是一项具有“高度社会影响”的努力。他说，美国估计有600万人瘫痪。据估计，一个25岁的人因脊髓损伤而瘫痪的终身护理费用为300万美元，不包括损失的工资。截瘫还可能导致继发性健康问题，如膀胱功能障碍。
孔特雷拉斯-维达尔说:“这个人可能会再次工作，或者增加他或她能做的工作量。”“这个人会感觉更好。这个人会更快乐，他的家人、亲戚和同事也会更快乐。”