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01、康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人：從“輔助訓(xùn)練”到“智能治療”
隨著我國(guó)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，腦卒中患者的致死率明顯下降，但大部分腦卒中幸存者一般會(huì)伴隨功能障礙，循證醫(yī)學(xué)指出重復(fù)性的動(dòng)作訓(xùn)練可以改善患者的運(yùn)動(dòng)功能?？祻?fù)機(jī)器人的出現(xiàn)開始逐漸代替一部分康復(fù)治療師的體力工作，隨著康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人在康復(fù)過程中承擔(dān)起越來越多的任務(wù)。智能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人如何能夠從當(dāng)下“訓(xùn)練助手”的角色一步一步完成向“智能醫(yī)生”角色的蛻變，或許在第四屆中國(guó)康復(fù)機(jī)器人論壇中能夠找到答案。
汕頭大學(xué)校長(zhǎng)郝志峰教授提到“生成式AI+自適應(yīng)康復(fù)訓(xùn)練”啟示我們基于連續(xù)動(dòng)態(tài)行為大數(shù)據(jù)，在不同環(huán)境和場(chǎng)景下研究人體行為整體測(cè)量方法，健康功能識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，開發(fā)跨平臺(tái)統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換和健康計(jì)算引擎的個(gè)體化健康行為AI干預(yù)系統(tǒng)。這也將加速推動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人從“訓(xùn)練助手”完成向“智能醫(yī)生”角色蛻變。
另外，世界神經(jīng)康復(fù)聯(lián)盟（WFNR）主席、英國(guó)皇家內(nèi)科學(xué)院院士李常威院士在“Rehabilitation research in Robotic treatment康復(fù)研究用與機(jī)械人治療”的主旨報(bào)告中，介紹了康復(fù)研究應(yīng)用于機(jī)器人治療的途徑，強(qiáng)調(diào)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)在研究中的重要性。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員、復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任侯增廣研究員在“康復(fù)機(jī)器人的智能人機(jī)交互與康復(fù)評(píng)價(jià)”的主旨報(bào)告中也分享了康復(fù)機(jī)器人的智能人機(jī)交互取得的研究進(jìn)展，分析并強(qiáng)調(diào)了主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的重要性以及實(shí)施難點(diǎn)。
然而，著眼現(xiàn)實(shí)從康復(fù)治療師的角度來看，康復(fù)機(jī)器人真正替代康復(fù)治療師的工作還有很長(zhǎng)的路要走。多場(chǎng)景適應(yīng)、解放患者雙手、穿脫及成本問題都會(huì)是影響康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人取代康復(fù)治療師的關(guān)鍵。
02、智能假肢：從“模仿形態(tài)”到“宛如手足”
對(duì)于肢體殘障人士來說，假肢的作用不僅僅是用于裝飾以掩蓋肢體殘缺，他們更希望能完全自主靈活地控制假肢，真正達(dá)到“宛如手足”的效果。在2023中國(guó)康復(fù)機(jī)器人論壇上哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京大學(xué)和中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等多家科研院所致力于還原殘肢生理關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特性、準(zhǔn)確解碼人體運(yùn)動(dòng)意圖和等方面的研究。目前，相關(guān)研究已經(jīng)取得一定成果，特別是在假肢關(guān)節(jié)的仿生效果、人體運(yùn)動(dòng)意圖感知以及假肢與人體之間的人機(jī)交互技術(shù)等方面頗有成效。
吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任雷教授的“仿生智能假肢設(shè)計(jì)-從仿生腳板到膝踝一體化”主旨報(bào)告，以人體骨骼肌肉系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的基本規(guī)律和工作機(jī)理為切入點(diǎn)，從生物力學(xué)的角度出發(fā)，介紹了下肢關(guān)節(jié)仿生設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和具有類人結(jié)構(gòu)的生物啟發(fā)的上肢仿生拉壓體機(jī)械臂，并提出了假肢領(lǐng)域仿生拉壓體的設(shè)計(jì)展望，為推動(dòng)假肢技術(shù)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所副所長(zhǎng)姜力教授以智能上肢假肢及其雙向神經(jīng)接口為主旨，介紹了上肢假肢的生機(jī)電一體化、欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、剛軟柔一體化設(shè)計(jì)、視肌電多模式共享控制等方面的發(fā)展，并提出了上肢假肢存在的解析再造、神經(jīng)解碼、感知反饋和集成應(yīng)用四大科學(xué)問題。圍繞“Cyborg Platform for Upper Limb Hypoplasia”，日本電氣通信大學(xué)橫井浩史教授就自己團(tuán)隊(duì)關(guān)于肌電假手中cyborg技術(shù)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。
北京大學(xué)工學(xué)院副院長(zhǎng)王啟寧教授主要圍繞下肢膝踝假肢的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、測(cè)試設(shè)備、人機(jī)接口和人機(jī)耦合系統(tǒng)介紹了本課題組的相關(guān)研究進(jìn)展，并提出了面向運(yùn)動(dòng)功能修復(fù)與重建的生機(jī)電一體化機(jī)器人中存在的科學(xué)問題和主要挑戰(zhàn)，包括：人類行走機(jī)理和人機(jī)耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人感知-結(jié)構(gòu)-驅(qū)動(dòng)一體化、人機(jī)雙向交互和神經(jīng)接口、復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境人機(jī)感知運(yùn)動(dòng)融合和泛化學(xué)習(xí)。
靈活性仍然是限制智能假肢發(fā)展的關(guān)鍵之一。與生物關(guān)節(jié)相比，智能假肢在外形、自由度、人機(jī)接口等方面還要有更加苛刻的要求。因此，深度解碼人體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信息，以控制較少主動(dòng)自由度再現(xiàn)生物關(guān)節(jié)靈巧運(yùn)動(dòng)特性是智能假肢需要解決的關(guān)鍵問題。目前的智能假肢與人類肢體的自然運(yùn)動(dòng)還有很大的差距，實(shí)現(xiàn)多自由度、高仿生的智能假肢關(guān)節(jié)還有很長(zhǎng)的路要走。
03、外骨骼機(jī)器人：從“步履蹣跚”到“如影隨形”
隨著我國(guó)老齡化趨勢(shì)的加劇，老年人的各項(xiàng)身體機(jī)能開始衰弱，日常行動(dòng)逐漸遲緩甚至喪失。外骨骼機(jī)器人的推出為增強(qiáng)老年人或肢體功能障礙患者的運(yùn)動(dòng)能力帶來了希望，傳統(tǒng)的助行輔具也將逐漸被更加智能化、科技化的外骨骼取締。近年來，隨著人機(jī)交互技術(shù)的革新及外骨骼機(jī)器人自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)功能的改善，外骨骼有望協(xié)助功能人群實(shí)現(xiàn)無障礙行走。
第四屆中國(guó)康復(fù)機(jī)器人論壇上，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院吳新宇研究員強(qiáng)調(diào)外骨骼機(jī)器人能顯著提高下肢功能障礙、衰退人群的運(yùn)動(dòng)能力和生活質(zhì)量，結(jié)合多模態(tài)融合控制方法能解決兼顧準(zhǔn)確性、全局性、魯棒性。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所丁希侖教授認(rèn)為要加強(qiáng)人機(jī)步態(tài)適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)相容性和人機(jī)交互協(xié)調(diào)性。應(yīng)將矢狀面、平面步態(tài)轉(zhuǎn)換到三維運(yùn)動(dòng)個(gè)性化步態(tài)，適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)特征的柔順驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。
柔性外骨骼使用柔軟、輕薄且具有韌性的新型復(fù)合材料材料取代部分或全部堅(jiān)硬、體量大和剛性的結(jié)構(gòu)，以降低外骨骼本體重量、提升穿戴舒適度。香港中文大學(xué)湯啟宇教授介紹的柔性康復(fù)機(jī)械手，采集肌電信號(hào)和關(guān)節(jié)角度信號(hào)，配合自適應(yīng)壓力控制算法控制機(jī)器人輔助訓(xùn)練。為了克服柔性驅(qū)動(dòng)器無法反向驅(qū)動(dòng)的痛點(diǎn)，東南大學(xué)宋愛國(guó)教授團(tuán)隊(duì)研制了一種基于混合驅(qū)動(dòng)器的柔性手部可穿戴康復(fù)機(jī)器人，核心由多腔式柔性驅(qū)動(dòng)器和記憶合金（SMA）彈性驅(qū)動(dòng)器組成，通過構(gòu)建融合柔性外骨骼手與交互式鏡像訓(xùn)練系統(tǒng)，提高了使用者的主動(dòng)參與訓(xùn)練積極性。上海理工大學(xué)孟巧玲副教授指出柔性外骨骼的發(fā)展主要集中在在仿生性、人機(jī)交互性、安全性、成本和能源五個(gè)方面。并分別從柔性外骨骼手、重力平衡式肘關(guān)節(jié)外骨骼、肩關(guān)節(jié)軟外骨骼、柔性下肢外骨骼介紹了柔性外骨骼研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。
輕便、靈活、多功能的外骨骼機(jī)器人對(duì)功能障礙患者的康復(fù)治療、功能輔助等無疑有巨大的幫助，外骨骼不僅可以將康復(fù)治療師或護(hù)工從繁重的體力工作中解放，也能提升功能障礙患者康復(fù)治療效率及生活質(zhì)量。隨著外骨骼自適應(yīng)及交互技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的外骨骼與人有望融為一體。
04、康復(fù)機(jī)器人的“身”與人的“心”真的能夠“相融”嗎？
近日，中國(guó)康復(fù)機(jī)器人論壇在廣州召開，來自全國(guó)各地乃至海外的教授學(xué)者共同參與了本次論壇的討論。而腦機(jī)接口、人工智能等作為跨學(xué)科領(lǐng)域多學(xué)科融合的康復(fù)機(jī)器人智能化交互技術(shù)內(nèi)容也在討論之列。
天津大學(xué)明東教授團(tuán)隊(duì)打破國(guó)外公司對(duì)腦-機(jī)芯片與腦-機(jī)接口系統(tǒng)的壟斷，設(shè)計(jì)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的腦-機(jī)芯片與腦電放大器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)國(guó)際最快腦機(jī)交互系統(tǒng)的應(yīng)用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)研究的空白，推動(dòng)了腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。明東教授以腦電的應(yīng)用出發(fā)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)腦電在康復(fù)評(píng)估、人工神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)、腦控驅(qū)動(dòng)外骨骼、腦-肌電控手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)、多模態(tài)重癥監(jiān)護(hù)等方面的實(shí)際應(yīng)用。未來，明東教授認(rèn)為運(yùn)動(dòng)想象（MI）將成為重要的康復(fù)手段，而訓(xùn)練功能性的腦-機(jī)接口將大行其道。
華南理工大學(xué)李遠(yuǎn)清教授針對(duì)腦-機(jī)接口的應(yīng)用范式展開，展示了腦-機(jī)接口在認(rèn)知功能障礙方面的評(píng)估與訓(xùn)練、情緒評(píng)估與調(diào)節(jié)、睡眠狀態(tài)評(píng)估等。并從產(chǎn)業(yè)化的方向展示了腦機(jī)接口與智能家居的結(jié)合可以幫助高位截癱患者恢復(fù)生活自信心，通過使用腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)電視、空調(diào)、窗簾等家居的智能控制，將病人的心理狀態(tài)從抑郁轉(zhuǎn)向樂觀生活。同時(shí)，通過腦機(jī)接口對(duì)輪椅與機(jī)械臂的控制也可完成日常生活空間的轉(zhuǎn)移與物品取放、喝水進(jìn)食等。
中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所楊洪波研究員針對(duì)智能康復(fù)設(shè)備能夠打破康復(fù)訓(xùn)練單一枯燥乏味的特點(diǎn)出發(fā)，提出多通道融合的智能感知、多模式的雙向交互以及多元信息的智能決策等相關(guān)技術(shù)與康復(fù)機(jī)器人相融合。楊洪波研究員認(rèn)為未來的智能康復(fù)將以腦-機(jī)接口為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)人的意圖與人體的嗅覺、味覺、聽覺、感覺等六大覺結(jié)合起來，真正做到將“身心融合”的手段與“以假亂真”的場(chǎng)景融合。
上海大學(xué)郭帥教授從康復(fù)機(jī)器人應(yīng)如何應(yīng)用到臨床這一問題出發(fā)，從應(yīng)用的角度闡述了康復(fù)機(jī)器人在臨床方面的局限性問題。以這些問題為導(dǎo)向，郭帥教授提出使用云平臺(tái)的解決方案，將評(píng)估、診斷、康復(fù)訓(xùn)練、遠(yuǎn)程醫(yī)療等功能通過機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等手段集成到云平臺(tái)系統(tǒng)中去，實(shí)現(xiàn)康復(fù)模式的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、可復(fù)制性，將康復(fù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的落地實(shí)施。
在廣州舉辦的中國(guó)康復(fù)機(jī)器人論壇中，諸多國(guó)內(nèi)外康復(fù)領(lǐng)域的專家將未來康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)放在以腦-機(jī)接口為代表的智能交互方式上，除此之外，智能感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等都在康復(fù)機(jī)器人中顯現(xiàn)重要性，值得一提的是，生成式AI也出現(xiàn)在本次論壇的討論中。未來，以“智能”為主題的康復(fù)機(jī)器人將逐步出現(xiàn)在人們面前。
05、護(hù)理機(jī)器人是未來老年照護(hù)方式的“唯一解”嗎？
60后是幾個(gè)子女照顧一位老人，有錢出錢，有力出力。80后是一個(gè)子女照顧一位老人，時(shí)時(shí)刻刻，寸步不離。90后是一個(gè)子女照顧兩位老人，分身乏術(shù)，夜以繼日。然而隨著00后的父母老去，老年人的照護(hù)工作又將何去何從？
河北工業(yè)大學(xué)的郭士杰教授在“護(hù)理機(jī)器人研發(fā)及應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)”報(bào)告中指出，以目前的技術(shù)人形機(jī)器人無法滿足多功能照護(hù)需求，單一功能輔助機(jī)器人逐漸進(jìn)入養(yǎng)老院，減輕甚至代替養(yǎng)老院的護(hù)工人員的工作。但對(duì)于目前最難解決也是需求最大的問題-移位轉(zhuǎn)移，這一問題國(guó)內(nèi)外的許多研究團(tuán)隊(duì)至今也還沒有交出一份“滿分答卷”。郭士杰教授團(tuán)隊(duì)提出了一種移乘轉(zhuǎn)移機(jī)器人，可以輔助患者進(jìn)行移位轉(zhuǎn)移，減輕了護(hù)理人員的工作，但同時(shí)也表示這款機(jī)器人并不是移位轉(zhuǎn)運(yùn)最好的方式，并提出自己對(duì)未來移位轉(zhuǎn)移機(jī)器人的看法：“未來的照護(hù)機(jī)器人必然還是人形機(jī)器人，它是一種具有多源傳感器融合的，并具有遙感控制系統(tǒng)的，多功能融合的照護(hù)管家機(jī)器人?！?/p>
隨著技術(shù)的發(fā)展，下肢運(yùn)動(dòng)障礙的老年人從使用傳統(tǒng)移動(dòng)輔具已經(jīng)過渡到移動(dòng)輔助機(jī)器人，上海交通大學(xué)陳衛(wèi)東教授指出目前移動(dòng)輔助機(jī)器人面臨很多技術(shù)難題：高遮擋和動(dòng)態(tài)環(huán)境如何建立精確的環(huán)境地圖；由于里程計(jì)誤差、復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)、環(huán)境噪聲、動(dòng)態(tài)障礙物等因素導(dǎo)致無法建立準(zhǔn)確的觀測(cè)模型。陳衛(wèi)東教授提出通過不同的傳感器來解決技術(shù)難點(diǎn)，建立動(dòng)態(tài)定位能力矩陣來評(píng)估外部傳感器的定位標(biāo)準(zhǔn)。通過改進(jìn)粒子濾波算法，改變外部檢測(cè)信息的權(quán)重來提高外部信息的精度。對(duì)于路徑規(guī)劃問題，陳衛(wèi)東教授提出可以通過環(huán)境定位清晰的區(qū)域作為最有路徑規(guī)劃區(qū)域，通過存儲(chǔ)大量的地圖數(shù)據(jù)，將場(chǎng)景變化特征進(jìn)行區(qū)分，基于時(shí)間序列的建模，經(jīng)過預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行路徑規(guī)劃。在陌生環(huán)境地圖建立方法：通過機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別環(huán)境，識(shí)別到相關(guān)物體，規(guī)劃路徑到達(dá)目的地。對(duì)于未來的研究工作，陳衛(wèi)東教授表示隨著傳感器的不斷升級(jí)，各類傳感器的性能也在不斷增強(qiáng)，利用最新傳感器結(jié)合人工智能開發(fā)導(dǎo)航和環(huán)境的識(shí)別算法，通過長(zhǎng)期的環(huán)境建模輔助設(shè)備進(jìn)行預(yù)見性的導(dǎo)航。同時(shí)也提出一種通過添加機(jī)械手臂協(xié)同輪椅做更多的工作。
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