Nature:半机械人奥运会Cybathlon

Cybathlon 旨在帮助残障人士驾驭最具难度的行程——日常生活。

Vance Bergeron 曾是一位业余自行车手,每年骑行 7000 千米——大部分都是在陡峭的阿尔卑斯山上。但在 2013 年 2 月,这位 50 岁的化学工程师在骑车去法国里昂的高等师范学校(École Normale Supérieure)上班的途中遭遇车祸,他的身体被弹到空中,头部遭到撞击并扭伤了脖子。醒来的时候,他发现自己的双腿再也无法移动,而手臂也因重创不再灵活。

卧床数月,使用了各种医疗手段后,Bergeron 开始寻找让自己回归赛车手的方法。他开始学习神经科学,主要研究将人变为「半机械人(cyborg)」的机器人假肢:人与机器的结合体。他了解到,有些假肢通过一种叫做功能性电刺激(FES)的技术给萎缩的或残存的肢体传输信号,能够帮助肌肉收缩并修复某些功能。

恢复了一段时间后,Bergeron 可以使用轮椅了,他立即在实验室中将那个创意付诸实践。他的研究重点变成了神经科学。他把自己当成实验室的小豚鼠,与团队一起研究如何刺激腿部神经才能让腿部肌肉弯曲并踩动自行车。「我成为了自己的研究项目,一举两得。」他说。

Bergeron 定期参加增肌训练,但他那受人工刺激的双腿的功率仍然最多达到 20 瓦特,仅为普通自行车手的 150 到 200 瓦特的十分之一。为了提高假肢性能,他和队员正尝试在碳纤维横卧三轮车中放入 FES 控制器和电极。10 月 8 号,他将带着这个发明来到瑞士的苏黎世,与 Cybathlon 的其他 FES 自行车手一决高下。

机器学习

这项比赛耗资 500 百万欧元,来自全世界 25 个国家的约 80 个研究小组都在为此次盛事厉兵秣马。其中既有小型团队也有世界最大的先进假肢制造商,涉及到的科学家,工程师,技术支持员工,及参赛人员等约有 300 位。参赛人员都是残障人士,每人将从六项比赛中选择一项,挑战自己处理日常生活中杂务的能力。假肢用户的比赛中,第一个完成做饭、挂衣服等任务的半机械人将取得冠军。而在电动轮椅比赛中,参赛者将比拼在发生碰撞,上台阶等日常情况下的导航能力。

Cybathlon 挑战赛的设计内容尽可能地接近日常工作。

比赛场地——苏黎世的可容纳 7600 位观众的冰球体育场上,应该用电视摄像机拍摄赛况,每个团队要有自己的运动衣,使 Cybathlon 和残奥会(残疾运动员用轮椅,螺旋桨片等辅助性技术进行对抗的比赛)一样充满运动氛围。两者的不同在于,残奥会追求的是人类自己的表现:运动员必须使用市场上可买到的设备,只运用本身的肌肉力量。但 Cybathlon 则追求科技和创新,参赛者将使用有动力装置而且多是刚从实验室研发出来的假肢,他们更多的是驾驶员而不是运动员。Cybathlon 的目标是,让参赛设备有益于技术的发展并最终使全世界的人使用。

Cybathlon 中测试的日常任务远非看起来那么容易,Robert Riener 说,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。「我认为人们被互联网和好莱坞电影宠坏了。」他说,「我们想告诉他们世界上还有很多挑战。」

Riener 追溯了 Cybathlon 的起源,发现了一项慈善活动的新闻报道: 2012 年十一月,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、机动化的假腿以仅仅 45 分钟爬上了芝加哥的 103 层的威利斯大厦。

这个壮举震撼了媒体——以及 Riener 。但是,这也让 Riener 受挫: Vawter 的设备和 Riener 实验室的类似的令人震撼的假体,以及来自全世界的类似设备,都没有用到需要它们的人的身上。他认为,「我们在做伟大的工作,但是没能很好地销售我们的设备。」所以,为何不从威利斯大厦上的惊人表演中吸取灵感呢?为何不通过在研究修复疗法的团体中开展竞赛来吸引人们对科技的注意呢?

Riener 的实验室团队有 30 个人,都对设计这样的比赛项目感到兴奋。不久之后,消息就会传给全世界的同事。

起初, Riener 考虑过主持酷炫的活动,比如使用义肢爬山。但是,在 2013 年与一位因癌症而失去手臂并戴上义肢的熟人交谈后,他改变了想法。他设计的设备最终是吊钩形式的,当人们弯曲残存肢体上的肌肉时,这个设备通过连接线来控制运动。它能很好地支持人们做出大幅动作,但是无法精细地控制肌肉活动。有一次,那位熟人告诉 Riener ,他一直在买电影票,而且,当他费力地掏出自己的钱包并抽出里面的钱时,他能感觉到排他身后的人紧盯着他,变得很不耐烦。

Riener 意识到,对于使用义肢的人来说,解决这些日常生活中的挑战是比义肢的设计需求更加重要和有实际意义的,比如说,像弹簧一样的假腿只不过能帮助一些人跑得更快而已。所以,他确定 Cybathlon 比赛绝对不应该像奥林匹克运动会一样。

大脑的力量

显然,脑机接口(BCI)竞赛是最奇怪的,有 15 名运动员穿戴着设备笔直地坐上 4 分钟,同时比赛现场的大屏幕上放着他们大脑里出现的内容。每名运动员都将利用大脑活动特定的模式尝试引导一个屏幕上的字符通过障碍物,字符由一个电极帽转换成三个命令:加速,跳过障碍或者翻滚过激光束。

基本上,这些模式可以是任何东西。比如,在英国科尔切斯特的埃塞克斯大学,博士后 Ana Matran-Fernandez 带着一群在读和已经毕业的学生已经设计出一个算法,能够将这三个动作与运动员的想法或者他/她们的手脚联系在一起,或者通过一个数学方程与的执行的任务联系在一起。

这个电子信号很弱,而且每个信号都不同,所以可能很难在各种命令中被区分开来 ——尤其当一名运动员因为比赛中的欢呼和肾上腺素分心时,持续专注任务是非常消耗精力的,洛桑的瑞士联邦理工学院神经科学家  José del R. Millán 说到。他团队正在研究如何预测思维模式,以使这种联系更加自然,同时让运动员放松。

BCI 可能不再会用于真实的跳跃和跑步中,因为探测肌肉中的电子活动非常简单。但是如果这类设备的制作成本能低一些,也够精确的话,他们可能会帮助残障人士来引导轮椅,游标或者甚至是带有 Skype 功能的机器人,让他们事实上参与到比赛中来。「事实上,你能在实验里开发这个技术然后将它做出来,看着它确实有用,意味着这个技术是有前景的,」 Matran-Fernandez 说。

在使用  BCI 的比赛中,运动员将使用 BCI 在已经开发出的特殊电脑游戏中控制他们自己的化身。

其他的  Cybathlon 赛事将利用更传统的设备得到巨大的进步。在假肢竞赛中,选手必须跨越像楼梯,散落的石头,倾斜的路面和门这类障碍,更不用说坐在轮椅上和站起来这种基本的动作了。几名参赛选手将会戴上最先进的人工膝盖和脚踝,能探测到运动员行走时的力量和加速,而且当他们快要跌倒时,及时修正他们的动作。

但是与整个身体自然的动作相比,即便是最先进的人体工程也会相形见绌。当一个人用一只血肉之躯的手臂捡起一支笔时,他们的大脑和外周神经系统会协调出手与笔的距离,知道如何把每个手指的关节弯曲成一个精确的形状,知道抓起这只笔的难度——所有的这些都是无意识的。但是标准的可移动假肢,如用挂钩和缆绳类型的假肢,则需要使用者有意识地去做这些事情。这样很费劲儿,这就是截肢者为什么不愿戴这些假肢的一个原因。

为了尽可能地实现那种自然的无意识效果,研究者们不得不创建能够解码肌肉和神经信号的计算机算法,并预测出穿戴设备的人想要做什么。在加拿大的本拿比,一个名为 MASS 的 Cybathlon 团队正在与残障运动员 Danny Letain 合作,他是加拿大前残奥会运动员,1980 年在一次铁路事故中失去了左臂。这个团队已经做出了一个手臂假肢接在 Letain 的残肢上,上面有一个平面按钮板。

Letain 利用对一只手的记忆,想象做出 11 种姿势中的一种,比如用手指指向某处。残肢上的肌肉会按压这些按钮,并告诉他的假手去做他打算做的动作。在他停止了对那条失去的手臂上的任何「幻痛」很久之后,Letain 很高兴地发现曾经控制手指的大脑回路仍然能执行命令。「我正在用一个我已经 35 年没用过的东西,」他说。

有些手臂甚至更先进。由查尔摩斯工学院(瑞士哥德堡)的生物医学工程师 Max Ortiz Catalan 领导的队伍开发了一种双向假体手臂,可以在运动的时候产生感觉。(M. Ortiz-Catalan et al. Sci. Transl. Med.6, 257re6; 2014)这个手臂是永久植入在佩戴者的骨骼中的,使用多达 9 个电极来接收残肢肌肉发送至该假肢的电机指令,并将手指传感器中的信号传回手臂的感知神经元。Cybathlon 的驾驶员 Magnus Niska 是世界上唯一在实验室外穿戴过这种假肢的人。Ortiz Catalan 希望感知到物体的能力会给 Niska 带来竞争优势。

由凯斯西储大学(俄亥俄州克利夫兰)的生物医学工程师 Ronald Triolo 领导的团队为 FES 脚踏车比赛设计了类似的装置,在这个比赛中,脊柱受伤的选手们会绕着一个环轨骑行 750 米。包括 Bergeron,许多参赛者都使用皮肤上的电极模拟腿部肌肉。但是克利夫兰的这个系统原本是被设计来帮助下肢麻木的人使用拐杖行走的,特征电极如外科手术般地被植入到腿部肌肉中。通过一个外部设备,穿戴者选择一个菜单选项后,比如「坐下」。一个内置的脉冲发生器就会激活电极,引发肌肉以正确的次序收缩。

当 Triolo 听说了 Cybathlon 以后,他意识到他可以把自行车加入志愿者的练习项目中。他的团队装配了一辆带有传感器的横卧三轮车,可以在骑车人蹬车时探测到他或她腿部弯曲的角度,还可以自动转换模拟模式,让一条腿向前推的同时另一条腿向后拉。

Triolo 说所有植入了他电极的 27 个人都想尝试骑车。在对他们进行了资格训练后,他最终选定了几个参赛者参加 Cybathlon。「我们想去瑞士并赢得这场比赛,」他说。「然后我想以此为跳板,在这里建立起一个锻炼项目。」

关注奖励

这种竞争模式与 Triolo 最初对 Cybathlon 的反应相去甚远,他原本认为竞争是一个愚蠢的主意。他记得之前说过「我们应该想办法在这些问题上达成国际合作,而不是竞争。」他和 Riener 仍能听到一些外科修复领域人士有这样的看法。

Triolo 最终想通了:他认为 Cybathlon 至少是一个很好的学习机会。Riener 自己希望把竞赛公开能比传统的学术研究流程更好地激发创造力,传统流程会受到研究者对知识产权的担心和经费竞争的阻碍。

Karim Lakhani,一位在哈佛商学院(波士顿,马萨诸塞)研究创新的经济学家,注意到竞赛也会迫使研究者更快地完成他们的工作,并且消除对可行性的顾虑,这种顾虑就是阻碍他们开始的因素。他指出自动驾驶汽车的案例,它一度失去了发展的活力,直到 2005 年美国国防高级研究计划署( US Defense Advanced Research Projects Agency)举办了一场奖金为两百万美元的竞赛。「这次比赛也会起到同样的作用,」Lakhani表示。Cybathlon 的奖励不会是金钱,只是奖牌。但他的研究者指出获胜者所享受到的认可会起到同样的激励作用(K. J. Boudreau et al. RAND J. Econ.47, 140–165; 2016)。

功能性电刺激帮助脊柱受伤的人进行自行车比赛。

也许奖励带来的最大好处在于他们给了不知名的选手一个与知名运动员-比如 Lakhani 同台竞技的机会。Cybathlon 吸引了很多知名和不知名的运动员。位于德国 Duderstadt 的 Otto Bock 康复中心,一个价值数十亿欧元的公司,同时也是世界上最大的假肢生产商,脊柱受伤的选手通过一个外部支持系统来避障,与动力腿比赛类似。Otto Bock 的驾驶员 Lucia Kurs 因为脊柱肿瘤失去了腿部运动能力。现在她六十多岁了,可以借助这家公司的商业腿部支架行走 12 公里,这种支架有传感器,电极和电动机,可以引导膝盖和脚踝完成一次正常的腿部摆动。

「我们在 Cybathlon 上展示自己的设备,并察看其他制造商的产品,」Otto Bock 的产品经理 Christof Küspert 说道。但他表示他们公司也对从来自大学的黑马开发者身上学习到创新的原型感兴趣。

一个规模更小的开发者是墨西哥蒙特雷市的创业公司 INDI Engineering and Design 的总经理 Jesús Tamez-Duque,他正在开发一款价格远低于 Otto Bock 的 75000 美元的型号的外骨骼原型。该设备的关节由汽车雨刷电机驱动,大部分身体是由 3D 打印机打印的。INDI 的竞争者采用一个安装在支架上的操纵杆来操控设备做出几个程序化的动作,比如爬楼梯或坐下。

Tamez-Duque 希望 Cybathlon 能吸引更多合作者,并证明墨西哥也可以参与这个领域。他说:「在我们看来, Cybathlon 是一个集中了世界顶尖机器人实验室的竞赛,我们仍在努力成为竞赛中的佼佼者,这样其他人就会相信我们可以带来真正的价值。」

Cybathlon 将于2020年于东京再次举办,长达7天,恰逢东京奥运会。届时还会增加针对视觉障碍人士的新项目,并且还会在体育场外举办一些比赛。但对于参加第一届 Cybathlon 的参赛者来说,站在前沿已经很激动人心了。「这是钢铁侠,这是阿凡达,」Bergeron 说,「这是全世界的脑机接口(BCI)和外骨骼的结合。」

本文选自:Nature ,作者:Sara Reardon ,机器之心编译;

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