《北京日报》:冬奥科技“出圈”

点击数:    |    加入时间:2022-05-19

《北京日报》2022年5月19日(记者 刘冕 实习记者 何蕊)报道:

冬奥科技“出圈”

在北京冬奥会和冬残奥会上,一批中国“智造”黑科技惊艳亮相,在赛事运行、城市保障、场馆建设等方面为盛会的成功举办立下了汗马功劳。在后冬奥时代,这些服务过冬奥会的智能科技将走进寻常百姓家,为更广泛的人群提供贴心服务。

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帅梅(中)团队研发大艾机器人

火炬手杨淑亭穿戴外骨骼机器人传递火炬

“钢铁战衣”让瘫痪者站起来

在2022年北京冬奥会火炬传递中,一位身穿“钢铁战衣”的火炬手吸引了众多目光。与其他奔跑的火炬手不同,她将火炬固定到胸前的插杆上,双手拄着辅助手杖,迈出稳健的步子。30米,对于高位截瘫11年的杨淑亭而言,漫长而又短暂。而在冬奥舞台亮相,也让外骨骼机器人被更多人看到。未来,这套“钢铁战衣”将帮助更多瘫痪者重新自主行走,也将面向老人、青少年等更多群体推出集治疗、康复、锻炼于一体的智能服务。

这套外骨骼机器人有个“有爱”的名字——大艾机器人,它的研发源于一个梦想:“让重症肢体残疾人能够从轮椅上站起来,走起来。”北京航空航天大学生物医学工程高精尖中心外骨骼实验室主任、北航生物与医学工程学院研究员帅梅是大艾的创始人,自2003年起,在清华精密仪器系攻读博士后的她便开始了仿人机器人研究。

当时,研究如何让机器人模仿人行走是帅梅团队的一大重要课题。“为了让机器人在崎岖路面上不摔倒,我们花了不少功夫。”帅梅解释,对人而言,脚下突然遇到凸起,就条件反射,甚至能够瞬间调整重心避免摔倒,这源于自我保护的本能。然而,让机器人习得这种“本能”却不容易。

帅梅团队的策略是通过算法计算机器人脚底受力,再依此来调节腿和躯干的步态。为了检验机器人应对各种复杂路况的能力,团队定制了一批5毫米到2厘米形状、大小不等的障碍片。“测试时,我们往地上随意撒一把障碍片,观察机器人在上面行走时的细微反应,从而修改算法。”从不摔跤,到不停顿、不打滑,机器人在一次次测试中实现了对崎岖路面做出自然的肢体反应。

“科研要为更多人服务”,本着这一理念,帅梅将仿人机器人的研究转向医疗器械领域,以期能做出有实际应用的研发。在北航校园里,她经常看到行动不便的退休教师,在路上蹒跚前行,自己的母亲年纪也越来越大,腿脚逐渐不便。于是,她将目标锁定在研发一款帮助老年人和下肢瘫痪患者恢复行走功能的机器人上,从此开启了外骨骼机器人的研发之路。

“为了研究步态,我常在路上观察行人走路的姿势。”帅梅边说边模仿,她脚底紧贴地面,左右脚挨在一起,依次向前挪步——某天,她看到一位老人想要跨越台阶,这个对年轻人来说根本不算障碍的小坎儿,却卡住了老人的脚尖,导致摔跤。“我当时就在想,一定要做出一款帮助老人锻炼腿脚的机器人,让他们拥有一个健康自如的晚年。”

经过调研,帅梅发现,千人千病,要想真正帮助到老年群体,就得从医学层面入手,找出导致老人行走不便的根源,再让机器人对其进行有针对性的康复训练。肌肉协调能力弱、关节活动度小、帕金森罕见病……研发团队翻阅医书、请教医学专家,针对不同的身体状况制定训练方案,通过调整机器人的使用时长、频率、助力等参数,达到锻炼效果。

帅梅的母亲是首批体验者。“母亲每周用机器人保持锻炼两到三次,现在88岁了依旧健旺,爬山爬楼都不在话下。”对于行走不便的老年人来说,外骨骼机器人是健康晚年的保障,而对于下肢瘫痪的病人来讲,大艾可能成为生活的希望,是照进生命中的一束光。

“我这15年活得不如这5天。”帅梅清晰地记得,4年前,15岁的小姑娘安琪对她说的这句话。出生半个月就被确诊脑瘫,两岁时被医生告知日后仅能坐起来,双手仅能做类似合掌的简单动作,安琪比喻自己的状态是“脑细胞无法支配身体的零件”。然而,她仅训练了5天,就可以穿戴外骨骼机器人拄拐自主行走了。

让安琪体验“独立行走”的机器人大约20公斤重,是一套可穿戴的人工智能型装置,有保护、感应肢体活动、驱动机械关节重现动作、提供额外动力的作用。它还有一颗“智慧大脑”——能感知到使用者行走快慢等主观意愿,通过科学地调节行走速度、步态,完成爬楼梯、上下坡、进出电梯等复杂动作。

“很多人都有一个误区,认为外骨骼只要能让瘫痪患者站起来走几步,就解决问题了。”帅梅解释,普通人拥有自主平衡的能力,外骨骼则是要教会患者在步行的动态中保持平衡,最终摆脱外骨骼,自主行走。如今,在大艾的帮助下,安琪的双腿已经学会了走路,并能借助拐杖行走一段路程。

如此智能的“大块头”,一定很贵吧?“我们的目标是让大艾走进更多人家,做百姓用得起的智能机器人。”帅梅介绍,2020年6月,团队推出了普惠版机器人。这些年来,大艾在优化功能和采用优质材料的基础上,一直在降低成本。“现在,老年人可以在北京的社区医院使用医保接受治疗,二级以上残疾患者还有康复补贴。”

如今,帅梅仍会亲自教患者怎样使用机器,帮他们调节穿戴设备,陪伴他们重新站起来。她说,有一位病人瘫痪18年了,通过穿戴大艾下肢的感知正在恢复,力量也一点点练出来了,他对自己很有信心。“看见他们站起来,我也会跟着高兴。”

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编辑:贾爱平


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