目前高端假肢技術的瓶頸在哪裡?
簡單來說,首先要設計出和人的腿和手一樣大小的硬體是一個挑戰,另外,就是根據人的意圖實現控制,能與環境互動是另外一個挑戰。
從傳動的被動式假肢,即沒有任何動力源,完全要用戶自己去驅動假肢,到目前現在上肢或下肢都引入了電機等各種動力源,根據人的運動和環境的互動來控制電機實現輔助功能。在各種環境中,如何根據環境變化讓假肢實現各種運動。但這也目前的遇到的最大瓶頸。其實這也不是假肢的問題,也是機器人遇到的瓶頸,如何適應環境互動,如何與人協調等等。
硬體問題
智能假肢的大小和重量,如果很大很重根本無法,反而不如被動式假肢。換句話理解也就是能源效率問題。由於有動力還有各種感測器和電路,需要電池供能,特別是上下樓和各種行走中,電機得不停工作。所以需要的電池容量大,本身動力假肢的零件就很多,加上很大容量的電池,最終假肢很重,很大,反而笨重不好用。這也是機器人遇到的問題,所以目前人形機器人要麼工作時間的短,要麼背一個很大的電池。但叫用戶去背一個電池,不太現實吧。現在的被動式假肢,沒有動力源和電機同樣能走,這張假肢的原理是運用重力和人行走的能量。所以要設計出能源高效的硬體,必須要靈活運用被動式假肢的原理,利用行走的能量,電機只是在上下樓需要大能量時給了輔助。
另外,上肢同樣遇到的硬體問題,要設計出和手一大小尺寸,並且實現人這麼多關機的活動的硬體本是一個很大的挑戰。
控制問題
關於下肢,正常腿的走路速度在不停變化,假肢的速度也需要不停控制速度自我調整。另外,平路,上下坡,上下樓時,關節所需要的轉矩和能量是不同的,也就是說控制模式不一樣。如何在各種環境中如何讓假肢自動切換各種控制模式。比如平路上走著,平路控制模式,遇到上坡了,假肢怎麼知道上坡,怎麼切換到上坡模式等。我今年試用過Rehabilitation Institute of Chicago開發的智能假肢,他們是工程師手動切換控制模式。可能的方案是人給予一個信號,比如腳踏地來表達控制模式切換。另外用手機切換,但我想用戶不用時時拿著手機來控制自己的假肢,太麻煩,研究階段還行,商用還得改進。
關於上肢,人的手太靈活,要實現人的各種動作,還有很遠的路要走。現在主流是運用機電信號EMG來控制硬體。但現在EMG信號較弱,並且噪音大,很難完全根據人的意圖來控制手,雖然有各種問題,不過EMG控制手也算是商業化了。下肢也有用EMG來控制,不過完全還處在研究階段。
即使技術成熟了,價格也是一個很大的挑戰。比起汽車,這個行業需求小,從事研究的公司和人員也少,另外量產數量少,即使有做好技術了,價格貴也會是一個非常大的挑戰。
補充 2016/10/15目前已經商業化的動力假肢膝關節只有ossur的 power knee。但power knee是在關節處設置電機來驅動器膝關節的運動,所以效率不高。非常重2.7kg,另外很長,不適合亞洲人的身體,所以暫時沒有在亞洲銷售。但處於研究階段的就比較多了,比如MIT的Clutchable SEA knee, Vanderbilt 大學的動力型膝關節,還有文中提到的 Rehabilitation Institue of Chicago的膝關節和小腿關節聯動的動力型假肢。動力型假肢是可以輔助行走的。不同於Genium, C-leg,Reho Knee 3之類的,這類型的膝關節的電池是用來給電機控制調節的壓力大小。當然Reho Knee 3 的原理不一樣,是通過電流來控制磁性流體的強弱來調整步行速度的。
單說假肢系統
現在高端假肢,都在往智能的方向發展。
方向是越來越多的感測器,越來越先進的處理方案,讓假肢能夠更智能的適應周圍的環境,幫助使用者去完成各種動作。
下肢方面,動力的引入,是目前最優前景的方面,目前僅僅有兩款人工膝關節,可以引入體外動力,支持人更大範圍更有力的活動。
上肢方面,感知是否能加入,目前是個難點,而且似乎沒有突破的跡象。在ilimb發明之後,給假肢界一個新的啟發:一隻手,是由五根指頭組成的。於是仿生手技術,有了一次革新,但是目前價格高昂,也許是一個可以研究的方向。
大家都在討論兩部分:
第一是如何更加科學的製作接受腔。現在接受腔的製作,基本上都是手工完成的。3D掃描和3D列印技術,有可能是下個十年假肢裝配的新趨勢。當然了,現在看來,還是有很多的不足,但是優勢也是毫無疑問的:可量化,可還原,可以修改。數字化,將讓接受腔做的更好,一定會的。
另一方面,是通過視頻動態捕捉改善假肢性能。這方面現在有一些成品了。我們單位引入了DARTFISH系統,我可以負責任的說,功能還很初級,甚至可以說,和假肢裝配的關係,還是很遠很遠。
助老助殘產品看似是非常好的市場。老齡化社會的到來,中國殘疾人龐大的數量,都讓大家覺得助老助殘機器人前景很廣闊。但是,光看著前景好,遠遠不夠。細想一下,助老助殘機器人的客戶老年人,殘疾人,都是社會弱勢群體。本身購買力非常有限。
想做這個方向的,真的要以社會福利的方式做,不要想賺錢的事情。
缺乏本體感覺,即身體無法接收到關於假肢位置及運動狀態的反饋,以至於無法實時調整力量及運動速度。
對於一個正常人來說,每天活動的過程中可能完全不會意識到本體感覺的存在。但閉上眼睛時,一個人依然可以感覺到自己的肢體在幹嘛,在空間中處於什麼位置,左腿在前還是右腿在前,手上是不是捏了一個蘭花指?這種感覺就是本體感覺。
不要覺得它聽上去好像沒什麼用,試想一下,你走路的時候需要看著自己的腳嗎?開車的時候需要盯著自己的腳嗎?幾乎是每時每刻,本體感覺都在為我們的身體提供運動狀態的反饋,這樣的反饋使得我們在缺乏視覺輔助的情況下,可以毫無困難的調整肢體的動作及維持節律運動。
遺憾的是,本體感覺的感受器存在於肌肉和肌腱里,一旦截肢,這些感受器就通通沒有了。但是連接著感受器的神經元並沒有消失,這也可能是幻肢現象存在的基礎。
回到高端義肢製造這個問題上來,現有的所有的義肢都無法為患者提供本體感覺,都感覺是異物,都很難配合運動,再做得高端,各種數控,各種自帶動力,患者閉上雙眼,他還是一個沒腿的人。
那麼這種本體感覺能不能人為添加呢?
理論上來說,本體感覺的神經元胞體位於脊柱旁的背根神經元,所以這個位置並非深不可及,簡單的貼一塊電級在脊柱旁的皮膚上,也能刺激到這群神經元。但是難點在於編碼和解碼,即如何才能讓程序在正確的時間點刺激到正確的神經元,從而將義肢的運動狀態和空間信息實時的傳遞給大腦。不過其實也沒那麼難,因為很多運動狀態是左右交替的,比如走路或跑步,從左邊複製來,延遲,在粘貼到右邊即可。又一種運動形式是左右對稱的,比如站立和跳躍,那就可以實時複製粘貼了。
非腦洞,隔壁一個biomedical engineering實驗室就在搗鼓這類義肢。希望對各位工科同學略有啟發
真正的瓶頸是對這個行業,前景認知真的清晰嗎?
三個方向
1、身體自然衰退的老年人,這種外掛式的智能假肢意義有多大?不如一張智能床更現實吧?
2、肌體年輕,其它原因導致的失能,但肌肉與骨架各組織多數是完好的,僅僅與大腦的控制中斷,這種情況,為什麼一定需要這種外掛式的結構?為什麼不設法聯接大腦?然後實質問題成了生物神經學醫學問題
3、局部功能缺失,如某關節缺失,這種情況下,零件植入醫學優勢更大,外掛式唯一有應用前景的地方,似乎僅僅在於單腿單手缺失這類情況?
總之一堆疑問
可能最好的技術,還是要利用人體本身的組織,尤其是肌肉驅動,作為最重要的動力的來源,人工的結構至少目前材料上看不到任何突破的前景,這導致的用做汽車的方式做智能假技術,最後就是不如人意
全是猜測價格,價格,價格,無論高端低端,目前市場上的假肢,價格不是一個殘疾人可以承受的。講多技術方面的都沒有用,技術都擺在那裡,真正可以用到這些高端的假肢的有幾個人。
社會基礎設施做好殘疾人通道,電動三輪哪裡不好了?
能源、動力和控制
控制的問題更大
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