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世界首次人機合一的奧運會：比賽爬樓梯、晾衣服背后的黑科技 | Physics World專欄

2018/05/20

導讀

贏得比賽就是將技術創(chuàng)新用到極致。

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?2016年在蘇黎世舉行的人機合體奧運會，其中一項比賽是電脈沖功能控制自行車賽。（ETH Zürich/Alessandro Della Bella）

編者按

“輔助技術” （assistive technology）能協(xié)助殘疾人的日?；顒??？茖W和工程對其發(fā)展至關重要，但蕾切爾·布雷澤（Rachel Brazil）發(fā)現(xiàn)，一項名為人機合體奧運會（Cybathlon）的體育賽事也頗有價值，因為它能幫助檢驗輔助設備是否適合使用者。

撰文 | 蕾切爾·布雷澤

翻譯 | 王爍

校譯 | 蔣海宇莊秋莞

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今年3月，世界各地的參賽者齊聚韓國，參加2018年第12屆冬季殘疾人奧林匹克運動會。運動會上，有行動障礙的運動員們將會參加很多比賽：從滑雪、單板滑雪，到冰球和冰壺。有些選手會借助物理輔助工具，比如輪椅和“坐式滑雪板”。你也許不知道，還有一場賽事，專門針對“輔助技術” 的使用者。

這就是2016年10月在瑞士蘇黎世舉辦的“人機合體奧運會”（Cybathlon），由瑞士頂級學府蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）主辦。該活動旨在展示可用于幫助行動障礙者的前沿技術。相較于傳統(tǒng)運動中的勝利，人機合體奧運會更關注那些對行動障礙人士并不容易實現(xiàn)的日?；顒?，如爬樓梯、晾衣服，或準備早餐桌。

來自25個不同國家的科學家和工程師組成了56個團隊，設計并制造了各種裝備。66名有行動障礙的選手將操縱這些前沿設備，參與六項規(guī)則各異的比賽。這簡直是個輔助裝置的一級方程式比賽，有義肢，有腦機接口技術；駕駛員則是人機合體奧運會的劉易斯·漢密爾頓（Lewis Hamilton）們。他們的生活可能不像專業(yè)賽車手那樣熠熠生輝，但每位選手的發(fā)揮對于團隊的成功都至關重要：贏得比賽就是將技術創(chuàng)新用到極致。

人機合體奧運會的理念最初由羅伯特·瑞納（Robert Riener）提出，他是蘇黎世聯(lián)邦理工學院健康科學和技術系動力系統(tǒng)實驗室的負責人。他曾一直思考如何填補實驗室制造的設備與殘障人士真正需求之間的鴻溝?！八Ｍ褜嶒炇依锏某晒麘玫綒堈先耸康纳钪小?，羅蘭·西格里斯特（Roland Sigrist）說。他和達里奧·懷斯（Dario Wyss）（二人都跟隨瑞納接受博士訓練）共同組織了這一賽事。

但瑞納沒預料到2016年比賽的規(guī)模。“我們之前并不知道人們是否會感興趣，也不知道他們的反應怎么樣，”西格里斯特承認道，“他們會歡呼雀躍還是無動于衷？會不會因為太無聊離場？”結果是，這場活動成為一項令人激動而緊張的公眾體育賽事?！疤y忘了，”西格里斯特說，“整個觀眾、車手和團隊熱情高漲，真是一次獨特的經(jīng)歷?！?/p>

在4600名觀眾的注視下，人機合體奧運會向公眾展示了輔助技術是如何幫助提高生活質量的?！氨荣愄钊伺d奮了，緊張又迷人，”安娜·馬特朗-費爾南德茲（Ana Matran-Fernandez）說，她是埃塞克斯大學的工程師，這次帶領英國團隊“頭腦風暴者”參加了人機合體奧運會，并在腦機接口比賽中贏得銅牌。在這項比賽中，參賽選手需要通過思想來控制電腦游戲中的角色。

她的熱情感染了其他的參賽者，比如奧爾多·費薩爾（Aldo Faisal），一名來自英國帝國理工學院的神經(jīng)技術學家，他帶領“帝國理工”隊參加了比賽。“用體育比賽的形式向世界展示更多的可能性，真是太棒了?！彼f。但是人機合體奧運會不僅僅旨在讓人們關注前沿科技，更在于賦權科技產(chǎn)品的使用者，讓他們也能與科學家和工程師合作?！耙驗楣こ處焾F隊在設計中沒有考慮終端用戶，以致大量的技術項目快結束時，使用者覺得‘這根本沒法用’?！辟M薩爾解釋道。

?凱文·伊文遜（Kevin Evison），在動力臂義肢比賽中代表“帝國理工”隊參賽。他是一名肘關節(jié)截肢者，也是一名自行車騎行和摩托車的狂熱愛好者。(ETH Zürich / Nicola Pitaro)

動力臂義肢

人機合體奧運會展示了大量尖端科技。研發(fā)這些技術需要有對人體運動力學的深入理解。就義肢來說，需要能在不同的表面及不同的受力條件下運動。輔助設備也越來越多地通過電子信號去控制運動，為此我們需要尋找它跟用戶間有效的交互方式。因此，設計團隊跨學科的程度也越來越高：物理學家、工程師、計算機科學家都參與其中。

費薩爾的團隊參與了包括動力臂義肢賽在內(nèi)的幾場比賽。在動力臂義肢賽中，失去胳膊的參賽者需要完成一系列任務，比如通過開關晾衣夾來模擬人們曬衣服的動作。最新的人機合體設計力求讓義肢自動執(zhí)行用戶的預期動作，所以最自然的實現(xiàn)方式便是去檢測用戶殘余肌肉中的電子信號。

基于大量學生項目在物理、數(shù)學和工程方面的已有工作，“帝國理工”隊采用了新的方法實現(xiàn)這一目標。這一方法避免了動力臂義肢的一個大問題：用戶和義肢之間的電接觸很容易失效，尤其是用戶開始出汗的時候。這種情況一旦發(fā)生，義肢將接收不到用戶的電子信號?！暗蹏砉ぁ标犂眉∪馐湛s時會震動這一現(xiàn)象，采用了與眾不同的方法來控制義肢。

他們的系統(tǒng)通過一個聲學麥克風探測用戶二頭肌發(fā)出的力學信號，也就是所謂的肌動圖（Mechanomyography），將檢測電子信號取而代之。這些微弱的震動會轉換成微伏級別的電子信號反饋，然后傳送給機械臂以完成動作?！拔覀兡艿玫礁玫臄?shù)據(jù)信噪比，而且這也比在每塊肌肉放置高增益放大器（high-gain amplifiers）便宜百倍?！辟M薩爾解釋道。

開發(fā)外骨骼

在人機合體奧運會上還有一項包含動力外骨骼技術的比賽，不過這項技術還并不成熟。不能行走或是行動不便的人，穿上這些自帶動力的硬質“步態(tài)康復”裝備，就可以直立行走了。當然，人們通常還需要拄拐杖來保持平衡。這聽起來有些科幻，但在一些脊髓損傷康復部門已經(jīng)可以看到這些裝備了。不過，目前的設備行動遲緩，用戶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）一樣上樓艱難。

在外骨骼比賽中，那些完全癱瘓、不能控制雙腿的選手需要完成爬樓梯、坐到椅子上和操控設備穿過坡道這樣的項目。由蘇黎世聯(lián)邦理工學院修復工程實驗室的學者組成的“變形腿”（VariLeg）團隊接受了這項挑戰(zhàn)。他們從零開始設計他們的外骨骼，力圖最大化地復制人體動作。做起來比聽起來要難得多。如果你四肢健全，與其他物體碰撞不會影響你行走。踏上一塊石頭，你的腿也能隨心所欲地彎曲或者伸直?！叭祟愅耆亲詣幼龅竭@些的。我們的研究正嘗試模仿這種自然行為?！眻F隊成員福爾克·巴滕巴赫（Volker Bartenbach）說。

?VariLeg團隊(ETH Zürich/Alessandro Della Bella)

在機器人學里，“柔順性”（compliance）指靈活性或者柔韌性。這使得一個健全的人抓起雞蛋時不把雞蛋捏碎。相反，一個沒有柔順性的機器人，無論遇到什么阻礙，仍會按預定路徑到達預設點。柔順性允許定位變化，也是“變形腿”團隊試圖使外骨骼擁有的性質，讓他們的用戶適應起伏。

“人類肌肉非常復雜，但我們在嘗試模仿?！卑碗秃照f。他的團隊將彈簧集成到腿部關節(jié)，以使其柔順。其膝關節(jié)由可變剛度驅動器（VSA）驅動，通過調(diào)整彈簧的拉伸幅度，關節(jié)剛度得以調(diào)整，外骨骼便能適應不同的表面。這些彈簧目前是預設好的，但巴滕巴赫實驗室的工作人員也正嘗試讓用戶任意控制外骨骼，甚至讓外骨骼自動化。

外骨骼比賽中，變形腿是七支隊伍中的第五名。最終獲勝的是德國公司瑞沃克（ReWalk），該公司制造商用外骨骼系統(tǒng)，供家庭及供康復中心使用。與F1比賽相似，嫻熟的選手和技術創(chuàng)新一樣關鍵?！耙驗檎系K很多，這項比賽尤其不容易?！卑碗秃照f。比賽的一項要求選手走過一系列不平的墊腳石，這需要很高的機動性才能完成。“我們的系統(tǒng)目前不具備這種機動性，但未來可能會有?！彼a充道。

腦電波

人機合體奧運會的另一項特色輔助技術是腦機接口（BCI）。這是一新興領域，人們通過在頭皮上放置電極來探測大腦里的電子信號。腦電圖技術（EEG）將特定的信號和特定的想法對應起來，這樣人們就可以通過思想控制計算機和其他設備。在腦機接口比賽中，選手只能通過思想來控制電腦游戲中的角色過關斬將。

據(jù)艾克賽森大學“頭腦風暴者”隊的馬特朗-費爾南德茲介紹，BCI設計中最重要的部分是清楚地識別思想不同指令時，腦中信號的不同態(tài)樣。在她的項目里，她需要讓選手一次一次地想不同的東西，再用算法尋找其中區(qū)別夠大的信號以用于比賽。馬特朗-費爾南德茲解釋說，“你要在穿戴者的大腦皮層上，尋找產(chǎn)生不同信號態(tài)樣的那些腦活動?！?/p>

?前橄欖球運動員大衛(wèi)·羅斯（David Rose），他代表艾克賽森大學“頭腦風暴者”隊參賽，由他大腦中特定想法產(chǎn)生的電信號將會控制電腦游戲中的角色。

正在思考的選手是大衛(wèi)·羅斯，一名前橄欖球運動員。馬特朗-費爾南德茲從網(wǎng)上論壇聯(lián)系到他。他非常想要成為“頭腦風暴者”隊的一員。測試過羅斯之后，馬特朗-費爾南德茲和同事選定了四種指令：三種用于控制角色向不同方向移動，一種用于停止。用于發(fā)出指令的思想分別是：移動右手，移動腳，回想電話鈴聲和在腦子里玩文字游戲。這些指令產(chǎn)生了能被BCI識別的信號，因為它們來自大腦的不同區(qū)域。

可惜這套系統(tǒng)是專門為羅斯的大腦設計的。如果別人想用，必須重新編程，因為每個人大腦發(fā)出的信號態(tài)樣有些微不同。馬特朗-費爾南德茲解釋說，當癱患者長時間只能思考動作，卻不能做出動作，他們就不再去想這些動作。正常人中觀察到的產(chǎn)生某腦皮層信號的區(qū)域，就可能會轉移到新的地方。

像外骨骼比賽一樣，選手的表現(xiàn)對人機接口也很重要?！笆湛s頸部肌肉產(chǎn)生的信號，比人機接口的信號強得多，會干擾整個系統(tǒng)。”馬特朗-費爾南德茲解釋說。幸虧羅斯經(jīng)驗豐富，“頭腦風暴者”隊摘得銅牌。

未來從此開始

人機合體奧運會成功的關鍵在于它讓前沿技術直接在比賽中呈現(xiàn)并相互較量。如費薩爾所說，研究人員研究輔助技術時，通常只獨立地做產(chǎn)品，很少和其他人比較?！按蠹叶几髯龈魇?，從未以參賽作為標準要求自己。這里我們這樣要求自己，也使不同方法的好處盡顯。”他說。

人機合體奧運會也讓人們認識到不同技術的發(fā)展程度，了解什么可能，什么不可能，并澄清誤解?！氨热缯f，目前腦機接口并不好用，但人們以為它已經(jīng)近乎讀心術了，其實遠非如此?！辟M薩爾說道。

假臂這種商業(yè)應用超過50年的成熟技術，面臨的問題也不少。在蘇黎世的比賽中贏得動力臂義肢比賽的隊伍用了相對較為陳舊的技術：基于肩部肌肉的活動去張開和握緊手部?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)實生活中，有30%的義肢在第一次使用后的6個月內(nèi)就會被丟棄?！?費薩爾說。當使用者發(fā)現(xiàn)設備不好用，用起來不舒服或者很麻煩，我們就得找到用起來更符合直覺的設備?！八枰划斪錾眢w的一部分。這就要求我們的設計包含認知科學和心理學的思考?！?費薩爾繼續(xù)說道。

做外骨骼開發(fā)的公司和相關科學讀物的機構正迅速增長，exoskeleton.com在2015年就收錄了50多家。蘇黎世聯(lián)邦理工的研究員們成立了一家名為瑞士瑪藥（MyoSwiss）的公司，開發(fā)可穿戴式肌肉支撐裝置，以改善肌肉無力人群的活動能力。巴滕巴赫不是這個公司的一員，他認為，盡管使癱瘓病人完全擺脫輪椅還要等至少十年，但患者們可能會在一些情況下開始使用外骨骼，比如離開椅子時。“外骨骼不能治愈創(chuàng)傷，但它讓你的身體保持活動狀態(tài)。目前的任務就是讓這樣的設備活動地更快，變得更輕、更便宜。”

馬特朗-費爾南德茲對腦機接口的未來卻不樂觀。目前的通訊技術可以讓使用者一分鐘說兩到三個字。“這對于一個能打字或者說話的人來說實在太慢了”，而且也不可能把這項技術和運動結合起來，“沒有系統(tǒng)能過濾你在運動時產(chǎn)生的電信號干擾?！彼f。

腦機接口應用最熱的領域是針對 “閉鎖綜合征”患者的。他們有意識但是完全癱瘓，有時甚至連眼睛都不能動。在2017年，來自荷蘭烏德勒支大學的研究者在患有閉鎖綜合癥、深受運動神經(jīng)元疾病折磨的病人身上植入了腦機接口。他們的運動皮質上被放置了電極，這些電極又和一個植入胸部的發(fā)射器相連。當移動雙手這個想法產(chǎn)生時，他們可以控制一個輸入系統(tǒng)，每分鐘輸出兩個字。

?人機合體奧運會的頒獎儀式（ETH Zürich / Nicola Pitaro)

有了這么多前景美好的研究，下一屆蘇黎世人機合體奧運會暫定于2020年5月舉辦。組織者希望下一屆能舉辦兩天，比這次時間更久?！拔覀冇?6個團隊名額，比2016年出30個?！蔽鞲窭锼固卣f。雖然比賽項目會保持不變，但合辦者懷斯透露：一些項目會增加額外挑戰(zhàn)。在主賽事之前，歐洲各大高校還會舉辦一些小型項目。其中一個會在明年于奧地利格拉茨舉辦。

2016年參加過比賽的這些“老兵”正策劃著2020年復賽的新戰(zhàn)略，并關注著技術創(chuàng)新。馬特朗-費爾南德茲就在勸說同事組建一個新隊伍參加下次比賽，并開發(fā)出實用的人機接口系統(tǒng)。這正是人機合體奧運會意義所在。如果能促進輔助技術的發(fā)展，那它就會在不久的將來向我們展示這些研究的價值與回報，并讓人們的日常生活受益。