思想胜过机器
定制的机械关节和大脑控制的外骨骼相结合，使截瘫患者能够行走
休斯顿大学的一个研究实验室正在Protolabs的帮助下开发一种动力外骨骼，Protolabs提供定制加工的铝制关节外壳，这将成为未来脑机机器人系统的一部分。
将曾出现在《外星人》和《阿凡达》等电影中的外骨骼强化版从科幻小说带到现实世界，帮助截瘫患者重新行走，这是一项快速的努力。
一个由工程师、神经科学家、健康专家和学生组成的多学科研究团队正在努力创造一种动力可穿戴机器人设备，它可以让那些因脊髓损伤、疾病或中风而下肢瘫痪的人在没有助行器或拐杖的情况下恢复行动能力。
该项目在该大学的无创脑机接口系统实验室进行，其中包含了科幻元素。正如实验室未来主义的名字所暗示的那样，最终的目标是允许用户控制外骨骼——命令它前进或后退，转身，坐下或站立——使用他们的思想，而不是操纵杆，开关或其他设备典型的外部操作员。
唯一比这更神奇的可能是实验室主任、库伦电子与计算机工程教授何塞·孔特雷拉斯-维达尔为这个项目设定的极其雄心勃勃的最后期限。虽然该实验室在脑机接口方面拥有丰富的经验，但开发动力外骨骼机器人是该实验室首次尝试开发自己的硬件。
然而，他们的计划是为用户准备好一个工作模型，即飞行员，参加10月份在苏黎世举行的Cybathlon国际比赛的动力外骨骼比赛。这次活动的特色是残疾人士使用最新的辅助技术，在许多情况下，他们将与拥有多年经验和监管部门批准的公司的商业系统进行竞争。这意味着在孔特雷拉斯-维达尔和学生们在2015年秋季的一堂课上开始就外骨骼进行头脑风暴之后，不到10个月就准备好了一个工作模型。相比之下，最近获得美国食品和药物管理局批准的下肢外骨骼是经过10年密集开发努力的结果。
封闭系统限制发展
孔特雷拉斯-维达尔说，脑机接口实验室的研究重点是开发“倾听大脑，提取意图，并使用这些信号来控制可穿戴机器人”的设备。在测试中，该实验室已经使用脑机接口来控制上肢外骨骼、带有驱动手指的上肢假肢和下肢外骨骼。“聆听”是通过戴在使用者头上的脑电图(EEG)帽来实现的，该帽使用一系列电极来检测大脑中的电活动。
当用户使用外骨骼进行一系列动作时，脑机接口会测量用户的脑电波。该系统使用先进的算法来绘制用户每次运动时的脑电波。脑机接口学会解读与这些动作相关的大脑信号，以了解用户何时想要行走，何时想要停下来。用户还需要经过训练才能进入这些思维状态，这样系统才能正确地解释它们。该实验室正在使用多种机器学习方法来训练机器，使其成为将该技术应用于控制下肢外骨骼的先驱。
孔特雷拉斯-维达尔说:“我们可能是第一个在瘫痪患者的外骨骼上展示非侵入性脑机接口的团队。”“从那以后，我们一直试图突破极限，更好地理解参与者的意图。我们可以让机器做我们想做的事。”
然而，继续改进脑机接口的努力遇到了障碍，因为大多数商业下肢外骨骼制造商拒绝开放他们的系统，让机器接口运行他们的设备。总部位于新西兰的雷克斯仿生公司(Rex Bionics)已经允许实验室使用其脑机接口来控制其外骨骼的高级功能，指挥其转向、停止或启动。然而，孔特雷拉斯-维达尔想要获得低级控制，以指定机器人如何一步一步地移动，使其更自然，甚至可以单独识别人类的步态。就在那时，他决定进入硬件行业，开始让实验室开发自己的外骨骼，作为一个开放的平台，在这个平台上测试和开发控制架构，包括“最前沿的”脑机接口技术。
快速加工支持快速进展
实验室团队设想了一种可穿戴机器人，它有六个驱动关节，分别位于脚踝、膝盖和臀部，孔特雷拉斯-维达尔称之为“外骨骼的肌肉”。覆盖这些机械肌肉的是由Protolabs定制加工的铝制外壳。首席研究技术人员杰弗里·格格斯(Jeffrey Gorges)表示，在实验室自我设定的紧迫期限内，设计、制造和调整设备的同时，迅速获得部件至关重要。将CAD图纸上传到Protolabs的在线设计分析和报价系统，帮助该流程快速启动。
“如果你把同样的部件送到修理厂，他们可能会说，‘好吧，四到六周后我们会给你答复，’”格尔格说。“Protolabs只需要三天的周转时间，这就给了我们整整两个月的工作时间。这很重要，因为除非我们手头有硬件，否则我们无法测试我们的控制。我们手中的每一天都是改善系统的一天。”
该实验室使用自己的3D打印机创建了“0.1版本”的外壳，以评估组装，组装过程，以及组件如何堆叠在里面，三峡说。该实验室正在使用3D打印技术生产用于外骨骼的碳纤维支架和电子设备的外壳。休斯顿的贝勒医学院(Baylor College of Medicine)正在制作这种牙套，该校有一个矫形和假肢项目。
然而，3d打印的外壳无法进行负载测试，因此实验室让Protolabs制作了一个小的单个关节来测试。protoolabs的第二版外壳目前正在使用中，设计改进可能会导致进一步的迭代。Gorges说，对于承重接头部件，该实验室正在使用飞机级铝7075，因为它重量轻，刚性好。该材料还具有高抗拉强度和耐腐蚀性。“最重要的是要最小化外骨骼的尺寸和重量，同时还要有合理的成本，”Gorges说。
在实验室的要求下，Protolabs同意赞助其制造的零件的一部分成本。Contreras-Vidal说:“我们对Protolabs的快速转变和对项目的兴趣感到惊讶。“我们真的很感激。”
专利，审批申请，竞争在即
戈尔格说，包括铝外壳在内的所有部件在初步测试中都表现良好。
孔特雷拉斯-维达尔解释说:“这些部件是系统中的关键点。“外壳不仅是执行器和齿轮减速器的位置，而且还与系统的其他部件连接。我们做了很多台架测试，我们已经让这个关节运转了很多次。他们一直做得很好。”
孔特雷拉斯-维达尔已经为脑机接口和外骨骼提交了专利申请文件。一旦实验室完成原型，他将寻求FDA的批准，FDA将外骨骼作为II类设备进行监管。与此同时，随着Cybathlon比赛的临近，外骨骼的开发、脑机接口和飞行员的训练将继续进行。他还展望了该系统的最终商业化。一位行业高管表示，帮助截瘫患者行走的设备的市场规模可能在10年内超过10亿美元。
孔特雷拉斯-维达尔说，让下肢瘫痪的人重新行走是一项具有“高度社会影响”的努力。他说，美国估计有600万瘫痪患者。据估计，一名25岁的因脊髓损伤而截瘫的人的终身护理费用为300万美元，其中不包括工资损失。截瘫还会导致继发性健康问题，如膀胱功能障碍。
孔特雷拉斯-维达尔说:“这个人可能会再次工作，或者增加他或她能做的工作量。”“这个人会感觉更好。这个人会更快乐，他的家人、亲戚和同事也会更快乐。”