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世界首次人机合一的奥运会:比赛爬楼梯、晾衣服背后的黑科技

编者按:“辅助技术” (assistive technology)能协助残疾人的日常活动。科学和工程对其发展至关重要,但蕾切尔·布雷泽(Rachel Brazil)发现,一项名为人机合体奥运会(Cybathlon)的体育赛事也颇有价值,因为它能帮助检验辅助设备是否适合使用者。
 
撰文 | 蕾切尔·布雷泽
翻译 | 王    烁
校译 | 蒋海宇 庄秋莞
 
今年3月,世界各地的参赛者齐聚韩国,参加2018年第12届冬季残疾人奥林匹克运动会。运动会上,有行动障碍的运动员们将会参加很多比赛:从滑雪、单板滑雪,到冰球和冰壶。有些选手会借助物理辅助工具,比如轮椅和“坐式滑雪板”。你也许不知道,还有一场赛事,专门针对“辅助技术” 的使用者。
 
这就是2016年10月在瑞士苏黎世举办的“人机合体奥运会”(Cybathlon),由瑞士顶级学府苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)主办。该活动旨在展示可用于帮助行动障碍者的前沿技术。相较于传统运动中的胜利,人机合体奥运会更关注那些对行动障碍人士并不容易实现的日常活动,如爬楼梯、晾衣服,或准备早餐桌。
 
来自25个不同国家的科学家和工程师组成了56个团队,设计并制造了各种装备。66名有行动障碍的选手将操纵这些前沿设备,参与六项规则各异的比赛。这简直是个辅助装置的一级方程式比赛,有义肢,有脑机接口技术;驾驶员则是人机合体奥运会的刘易斯·汉密尔顿(Lewis Hamilton)们。他们的生活可能不像专业赛车手那样熠熠生辉,但每位选手的发挥对于团队的成功都至关重要:赢得比赛就是将技术创新用到极致。
 
人机合体奥运会的理念最初由罗伯特·瑞纳(Robert Riener)提出,他是苏黎世联邦理工学院健康科学和技术系动力系统实验室的负责人。他曾一直思考如何填补实验室制造的设备与残障人士真正需求之间的鸿沟。“他希望把实验室里的成果应用到残障人士的生活中”,罗兰·西格里斯特(Roland Sigrist)说。他和达里奥·怀斯(Dario Wyss)(二人都跟随瑞纳接受博士训练)共同组织了这一赛事。
 
但瑞纳没预料到2016年比赛的规模。“我们之前并不知道人们是否会感兴趣,也不知道他们的反应怎么样,”西格里斯特承认道,“他们会欢呼雀跃还是无动于衷?会不会因为太无聊离场?”结果是,这场活动成为一项令人激动而紧张的公众体育赛事。“太难忘了,”西格里斯特说,“整个观众、车手和团队热情高涨,真是一次独特的经历。”
 
在4600名观众的注视下,人机合体奥运会向公众展示了辅助技术是如何帮助提高生活质量的。“比赛太令人兴奋了,紧张又迷人,”安娜·马特朗-费尔南德兹(Ana Matran-Fernandez)说,她是埃塞克斯大学的工程师,这次带领英国团队“头脑风暴者”参加了人机合体奥运会,并在脑机接口比赛中赢得铜牌。在这项比赛中,参赛选手需要通过思想来控制电脑游戏中的角色。
 
她的热情感染了其他的参赛者,比如奥尔多·费萨尔(Aldo Faisal),一名来自英国帝国理工学院的神经技术学家,他带领“帝国理工”队参加了比赛。“用体育比赛的形式向世界展示更多的可能性,真是太棒了。”他说。但是人机合体奥运会不仅仅旨在让人们关注前沿科技,更在于赋权科技产品的使用者,让他们也能与科学家和工程师合作。“因为工程师团队在设计中没有考虑终端用户,以致大量的技术项目快结束时,使用者觉得‘这根本没法用’。”费萨尔解释道。
 
动力臂义肢
 
人机合体奥运会展示了大量尖端科技。研发这些技术需要有对人体运动力学的深入理解。就义肢来说,需要能在不同的表面及不同的受力条件下运动。辅助设备也越来越多地通过电子信号去控制运动,为此我们需要寻找它跟用户间有效的交互方式。因此,设计团队跨学科的程度也越来越高:物理学家、工程师、计算机科学家都参与其中。
 
费萨尔的团队参与了包括动力臂义肢赛在内的几场比赛。在动力臂义肢赛中,失去胳膊的参赛者需要完成一系列任务,比如通过开关晾衣夹来模拟人们晒衣服的动作。最新的人机合体设计力求让义肢自动执行用户的预期动作,所以最自然的实现方式便是去检测用户残余肌肉中的电子信号。
 
基于大量学生项目在物理、数学和工程方面的已有工作,“帝国理工”队采用了新的方法实现这一目标。这一方法避免了动力臂义肢的一个大问题:用户和义肢之间的电接触很容易失效,尤其是用户开始出汗的时候。这种情况一旦发生,义肢将接收不到用户的电子信号。“帝国理工”队利用肌肉收缩时会震动这一现象,采用了与众不同的方法来控制义肢。
 
他们的系统通过一个声学麦克风探测用户二头肌发出的力学信号,也就是所谓的肌动图(Mechanomyography),将检测电子信号取而代之。这些微弱的震动会转换成微伏级别的电子信号反馈,然后传送给机械臂以完成动作。“我们能得到更好的数据信噪比,而且这也比在每块肌肉放置高增益放大器(high-gain amplifiers)便宜百倍。”费萨尔解释道。
 
开发外骨骼
 
在人机合体奥运会上还有一项包含动力外骨骼技术的比赛,不过这项技术还并不成熟。不能行走或是行动不便的人,穿上这些自带动力的硬质“步态康复”装备,就可以直立行走了。当然,人们通常还需要拄拐杖来保持平衡。 这听起来有些科幻,但在一些脊髓损伤康复部门已经可以看到这些装备了。不过,目前的设备行动迟缓,用户的行走速度通常只有正常行走速度的三分之一,就像《神秘博士》中的戴立克(Dalkes)一样上楼艰难。
 
在外骨骼比赛中,那些完全瘫痪、不能控制双腿的选手需要完成爬楼梯、坐到椅子上和操控设备穿过坡道这样的项目。由苏黎世联邦理工学院修复工程实验室的学者组成的“变形腿”(VariLeg)团队接受了这项挑战。他们从零开始设计他们的外骨骼,力图最大化地复制人体动作。做起来比听起来要难得多。如果你四肢健全,与其他物体碰撞不会影响你行走。踏上一块石头,你的腿也能随心所欲地弯曲或者伸直。“人类完全是自动做到这些的。我们的研究正尝试模仿这种自然行为。”团队成员福尔克·巴滕巴赫(Volker Bartenbach)说。
 
 
在机器人学里,“柔顺性”(compliance)指灵活性或者柔韧性。这使得一个健全的人抓起鸡蛋时不把鸡蛋捏碎。相反,一个没有柔顺性的机器人,无论遇到什么阻碍,仍会按预定路径到达预设点。柔顺性允许定位变化,也是“变形腿”团队试图使外骨骼拥有的性质,让他们的用户适应起伏。
 
“人类肌肉非常复杂,但我们在尝试模仿。”巴滕巴赫说。他的团队将弹簧集成到腿部关节,以使其柔顺。其膝关节由可变刚度驱动器(VSA)驱动,通过调整弹簧的拉伸幅度,关节刚度得以调整,外骨骼便能适应不同的表面。这些弹簧目前是预设好的,但巴滕巴赫实验室的工作人员也正尝试让用户任意控制外骨骼,甚至让外骨骼自动化。
 
外骨骼比赛中,变形腿是七支队伍中的第五名。最终获胜的是德国公司瑞沃克(ReWalk),该公司制造商用外骨骼系统,供家庭及供康复中心使用。与F1比赛相似,娴熟的选手和技术创新一样关键。“因为障碍很多,这项比赛尤其不容易。”巴滕巴赫说。比赛的一项要求选手走过一系列不平的垫脚石,这需要很高的机动性才能完成。“我们的系统目前不具备这种机动性,但未来可能会有。”他补充道。
 
脑电波
 
人机合体奥运会的另一项特色辅助技术是脑机接口(BCI)。这是一新兴领域,人们通过在头皮上放置电极来探测大脑里的电子信号。脑电图技术(EEG)将特定的信号和特定的想法对应起来,这样人们就可以通过思想控制计算机和其他设备。在脑机接口比赛中,选手只能通过思想来控制电脑游戏中的角色过关斩将。
 
据艾克赛森大学“头脑风暴者”队的马特朗-费尔南德兹介绍,BCI设计中最重要的部分是清楚地识别思想不同指令时,脑中信号的不同态样。在她的项目里,她需要让选手一次一次地想不同的东西,再用算法寻找其中区别够大的信号以用于比赛。马特朗-费尔南德兹解释说,“你要在穿戴者的大脑皮层上,寻找产生不同信号态样的那些脑活动。”
 
 
正在思考的选手是大卫·罗斯,一名前橄榄球运动员。马特朗-费尔南德兹从网上论坛联系到他。他非常想要成为“头脑风暴者”队的一员。测试过罗斯之后,马特朗-费尔南德兹和同事选定了四种指令:三种用于控制角色向不同方向移动,一种用于停止。用于发出指令的思想分别是:移动右手,移动脚,回想电话铃声和在脑子里玩文字游戏。这些指令产生了能被BCI识别的信号,因为它们来自大脑的不同区域。
 
可惜这套系统是专门为罗斯的大脑设计的。如果别人想用,必须重新编程,因为每个人大脑发出的信号态样有些微不同。马特朗-费尔南德兹解释说,当瘫患者长时间只能思考动作,却不能做出动作,他们就不再去想这些动作。正常人中观察到的产生某脑皮层信号的区域,就可能会转移到新的地方。
 
像外骨骼比赛一样,选手的表现对人机接口也很重要。“收缩颈部肌肉产生的信号,比人机接口的信号强得多,会干扰整个系统。”马特朗-费尔南德兹解释说。幸亏罗斯经验丰富,“头脑风暴者”队摘得铜牌。
 
未来从此开始
 
人机合体奥运会成功的关键在于它让前沿技术直接在比赛中呈现并相互较量。如费萨尔所说,研究人员研究辅助技术时,通常只独立地做产品,很少和其他人比较。“大家都各做各事,从未以参赛作为标准要求自己。这里我们这样要求自己,也使不同方法的好处尽显。”他说。
 
人机合体奥运会也让人们认识到不同技术的发展程度,了解什么可能,什么不可能,并澄清误解。“比如说,目前脑机接口并不好用,但人们以为它已经近乎读心术了,其实远非如此。”费萨尔说道。
 
假臂这种商业应用超过50年的成熟技术,面临的问题也不少。在苏黎世的比赛中赢得动力臂义肢比赛的队伍用了相对较为陈旧的技术:基于肩部肌肉的活动去张开和握紧手部。“我们发现,在现实生活中,有30%的义肢在第一次使用后的6个月内就会被丢弃。” 费萨尔说。当使用者发现设备不好用,用起来不舒服或者很麻烦,我们就得找到用起来更符合直觉的设备。“它需要被当做身体的一部分。这就要求我们的设计包含认知科学和心理学的思考。” 费萨尔继续说道。
 
做外骨骼开发的公司和相关科学读物的机构正迅速增长,exoskeleton.com在2015年就收录了50多家。苏黎世联邦理工的研究员们成立了一家名为瑞士玛药(MyoSwiss)的公司,开发可穿戴式肌肉支撑装置,以改善肌肉无力人群的活动能力。巴滕巴赫不是这个公司的一员,他认为,尽管使瘫痪病人完全摆脱轮椅还要等至少十年,但患者们可能会在一些情况下开始使用外骨骼,比如离开椅子时。“外骨骼不能治愈创伤,但它让你的身体保持活动状态。目前的任务就是让这样的设备活动地更快,变得更轻、更便宜。”
 
马特朗-费尔南德兹对脑机接口的未来却不乐观。目前的通讯技术可以让使用者一分钟说两到三个字。“这对于一个能打字或者说话的人来说实在太慢了”,而且也不可能把这项技术和运动结合起来,“没有系统能过滤你在运动时产生的电信号干扰。”她说。
 
脑机接口应用最热的领域是针对 “闭锁综合征”患者的。他们有意识但是完全瘫痪,有时甚至连眼睛都不能动。在2017年,来自荷兰乌德勒支大学的研究者在患有闭锁综合症、深受运动神经元疾病折磨的病人身上植入了脑机接口。他们的运动皮质上被放置了电极,这些电极又和一个植入胸部的发射器相连。当移动双手这个想法产生时,他们可以控制一个输入系统,每分钟输出两个字。
 
 
有了这么多前景美好的研究,下一届苏黎世人机合体奥运会暂定于2020年5月举办。组织者希望下一届能举办两天,比这次时间更久。“我们有96个团队名额,比2016年出30个。”西格里斯特说。虽然比赛项目会保持不变,但合办者怀斯透露:一些项目会增加额外挑战。在主赛事之前,欧洲各大高校还会举办一些小型项目。其中一个会在明年于奥地利格拉茨举办。
 
2016年参加过比赛的这些“老兵”正策划着2020年复赛的新战略,并关注着技术创新。马特朗-费尔南德兹就在劝说同事组建一个新队伍参加下次比赛,并开发出实用的人机接口系统。这正是人机合体奥运会意义所在。如果能促进辅助技术的发展,那它就会在不久的将来向我们展示这些研究的价值与回报,并让人们的日常生活受益。
 
Rachel Brazil,英国科普作家。邮箱:rechelbrazil@hotmail.com,Twitter:@rechelbbrazil
 
本文为Physics World专栏的第11篇。
 
版权声明
原文标题“The  Cybathlon challenge",首发于2018年3月出版的Physics World,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。
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