李盈 李盈

科技控,关注医疗领域的大数据和人工智能技术

10月8号,世界第一届Cybathlon半机械人运动会在瑞士苏黎世正式拉开帷幕,来自21个国家、一共50支队伍的残疾人运动员在辅助设备的帮助下参加比赛。赛事共分为6个比赛项目:动力假肢竞赛(上肢和下肢)、外骨骼驱动竞赛、功能性电刺激自行车赛、轮椅竞赛、脑机交互竞赛。

与残奥会不同,Cybathlon比赛项目更加关注残疾人在日常生活所面对的挑战,比如说利用假肢切面包、上下楼梯、洗衣服等,这些对四肢健全的人来说不需要动脑子就能很快地完成,而对残疾人士来说却是非常大的挑战。

Robert Riener,他是苏黎世联邦理工学院的生物医学工程师,也是 Cybathlon 的发起者。2012年,一条「在一场车祸事故中失去了一条腿的男人 Zac Vawter,使用实验性的、机动化的假肢在45 分钟内爬上了芝加哥的 103 层的威利斯大厦」的新闻报道激发他举办Cybathlon半机械人运动会的念头。

robert-riener_eth-zuerich

一开始,Riener想要举办一些更加具有挑战性的比赛,比如说用假肢爬山。但是一位因癌症失去手臂并带上假肢的朋友说,当他在买电影票时,用假肢费力地掏出钱包并抽出里面的钱时,他能感觉到排在他身后的人紧紧盯着他,变得很不耐烦。这让Riener改变了想法——与其让一些残疾人跑得更快,不如让残疾人更好地运用假肢解决日常生活中遇到的挑战。

「残奥运会的举办让残疾人的运动走进大众视野之中,但是人们却往往忽略了残疾人面对日常生活的挣扎」 Kevin Evison说,他是本次比赛的选手,「Cybathlon半机械人运动会为我们带来了世界最先进、最富创意的假肢技术,这不仅是运动员之间的比赛,更是设备制造商和实验室之间的比赛。」

cybathlon_2016

因此,本次Cybathlon的目的就是鼓励工程师和科学家为残疾人制造出更好的辅助工具。「目前,大多数的科学研究都是为了身体健全的人们研究的,」 Ana Matran-Fernandez说,他是埃塞克斯大学的研究小组组长,「然而,想要让残疾人来实验室进行长期的训练是一件非常困难的事,但Cybathlon比赛给我们提供了机会。」

本次一共50支参赛队伍,每只参赛队伍包括一名「驾驶员」、科学家以及设备提供商。Cybathlon把参赛选手称为「驾驶员」,因为Cybathlon不仅关注运动员的表现,而是关注「人和机器的共生关系」,即运动员如何通过控制设备在挑战日常生活中取得更好的表现。所涉及的设备可能是实验室或者企业内部开发的原型,或者是市面上销售的产品。这一切都让Cybathlon成为企业和实验室之间的比赛。因此,每个比赛项目都设有两个奖项:一个颁发给驾驶员,一个颁发给从事设备开发的企业或实验室。

动力假肢(下肢)竞赛

0

绝大多数的下肢假肢要求穿戴者必须摇摆假肢来对齐膝盖、小腿和脚。而且穿戴者不能通过膝盖传递肌肉力量,这就很不方便,比如说穿戴者必须使用大腿肌肉来帮助爬楼梯。

动力假肢可以解决上面的问题,但动力假肢很难控制。就算是配有市面上最好的电池的动力假肢,对于日常生活来讲都过于沉重、寿命太短。比赛中,膝盖以下截肢的驾驶员使用动力假肢挑战一系列日常可能面对的情况,比如说来上下楼梯、从坐的状态中起立,以及穿过一个复杂的环境。

动力假肢(上肢)竞赛

maxresdefault

动力假肢(上肢)竞赛:驾驶员需要完成两种类型的任务–力量型和精巧控制型。举个例子,移动一个很重的箱子是属于力量型任务,打开一小罐果酱则属于精巧控制型的任务。这两个任务看似简单,但极具挑战性,就算是市面上卖得最好的假肢也很难做好这两件事。

因此,高达60%上肢截肢者都不太会使用他们的假肢,相当一部分人一点都不会用。但对于更先进的设备,比如说自身力源假肢或电子假肢,人们则更乐意使用。在比赛中,手臂以上截肢的驾驶员将会使用动力上肢假肢完成各种家务以及准备食物挑战。

功能性电刺激自行车赛

SCHWEIZ CYBATHLON

完全性截瘫的人们并没有失去他们的肌肉,而是失去了控制肌肉的能力。一种叫做功能性电刺激的技术(functional electrical stimulation,FES)可以恢复部分控制肌肉的功能。通过把微弱的电流送向休眠的神经元,功能性电刺激可以重新激活肌肉。这项技术已经使用了十几年了,但是它存在很大的缺陷–需要花费很长的时间来建立神经元与肌肉之间的联系,并且产生的肌肉力量比较弱,而且肌肉很快就会劳累。

一些手术植入的FES系统可以帮助完全性截瘫患者更好地控制肌肉,但是这比较贵,而且手术植入意味着更多的风险。因此,医生和患者不太使用FES技术。

在Cybathlon比赛上,完全性截瘫的驾驶员将会使用FES技术来控制肌肉踩动脚踏板进行自行车比赛。比赛的目的就是要鼓励参赛队伍突破FES现有的缺点。

轮椅竞赛

maxresdefault (1)

尽管许多国家都要求公共场合要符合无障碍设计规范,但是轮椅仍然很难进入一些公共场合。无论是室内轮椅还是室外轮椅,缺点都很明显:大多数室外设备太笨重,不够灵活,不能供室内使用;室内的轮椅又不能在不平坦的地面上行动。号称能够自动驾驶的「智能轮椅」已经推出了数十年了,但是这些轮椅往往非常昂贵,实际上没几个人使用。

现在,轮椅的功能越来越强大,但控制轮椅的方式既不高效也不舒适。为了推动动力轮椅的发展,瘫痪的驾驶员将使用动力驱动的轮椅穿过障碍、坡道、楼梯、弯道、门道和不平坦的地形。

外骨骼驱动竞赛

small-dennis-and-lars

仿生外骨骼是一种能够代替轮椅帮助残疾人走路的一种设备。然而,电池仅能够维持几个小时,而且设备往往非常笨重。市面上售卖的仿生外骨骼的重量在21-28千克之间,有一种叫做REX的设备重量接近88磅!

另外一个致命的缺陷是:现在的外骨骼不能爬坡和上下楼梯。而本次比赛将会考验驾驶员的能力,以及团队能不能克服这些缺点的能力。

脑机接口比赛

150215-cyb1

这是本次比赛最「炫酷」的项目了,同时也是最具挑战性的项目。四肢都瘫痪的驾驶员将利用脑机接口装置进行电脑游戏比赛。在电脑屏幕上,驾驶员只能通过脑电波控制一个游戏角色,通过不同大脑指令来完成不同的挑战。近几年,脑机接口技术越来越受欢迎,但是大多数脑机接口系统需要很长的时间才能启动,并且舒适感比较差,在实验室以外的环境效果就不太好。这些缺点都限制了脑机接口在日常生活中的广泛使用。

David Rose,29年前在一次潜水中不幸残疾,今年他将参加本次的脑机接口比赛。他已经为这次脑机比赛训练有两年的时间。他将戴上一个覆盖在电极上的帽子,这个帽子会检测他的大脑活动,并将读数发送到一台计算机,用来解释他的思想命令。

「这相当的累」他说。「想要利用脑电波移动我控制的电脑人物,我必须全神贯注,不能有一丁点走神。」

ls_prosthetichand_860_FREE

全球范围内,有上亿的人依靠假肢、轮椅等辅助设备来提高他们的生活质量。据世界卫生组织统计,光是轮椅的使用者就在6500万人。对于身体残疾或者有生理弱点的人来说,辅助设备可以改善他们的生活质量并让他们更加独立地生活。然而,目前的辅助技术并没有完全满足他们的需求,轮椅不能爬楼梯,假肢不具备多项功能,电池蓄电量太短,设备太过沉重,等等。

残疾人士往往对他们的设备的表现感到失望,因而选择不用它们。这其中主要的原因有设计者忽视了用户的需求,比如说设备的外观设计,设备的舒适感和功能性,穿戴脱下所需要的时间,设备的耐用性和重量。

除此之外,高昂的价格也将许多残疾人士拒之门
外。楼梯、陡峭的山坡、狭窄的门道以及低矮的桌子都让这些辅助设备难以使用。Riener认为,辅助设备这个行业虽然已经成熟,但需要创新,需要团队合作来跨越障碍。而这也是Cybathlon想要达成的目标。

参考资料:

【1】http://www.bbc.com/news/technology-37196860

【2】https://theconversation.com/cybathlon-a-bionics-competition-for-people-with-disabilities-61059

奇点分享微信

推荐阅读

发送