Hugh Herr专访:这位曾经的登山天才因意外截肢,后来打造了世界上第一个踝足假肢机器人系统 | 新智造

2016-08-24 10:32:03     作者:熊蒙      来源:雷锋网

让假肢成为残疾人士的“血肉之躯”。

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对于任何人来说,截肢都是一件非常不幸的事。很多人因此颓丧,苟延残喘地度过此生。而有一个人,却因此打造了世界上第一个踝足假肢机器人系统,他就是MIT Biomechatronics团队负责人、 iWalk创始人Hugh Herr。近日, Robohub访采了Hugh Her,在采访中,Hugh Her讲述了其发生事故截去膝盖以下双腿的经历,也描述了其团队打造假肢与外骨骼的过程,同时他还展望了仿生科技的未来。

他的团队项目旨在加快仿生科技的发展,其发现了仿生动作原理,开发了性能与肌肉类似的制动器技术,打造了包括假肢和外骨骼在内的多个产品。其团队研究成果非常丰硕,从生物力学科学到生物动作,再到生物医学设备设计一网打尽,目标是为造福不幸致残的人类。

迄今为止,Hugh Herr已经为世界做出了极大贡献。现在,其开发的Transfemoral Quasipassive Knee Prosthesis(股部准被动式膝盖假肢)已经成功被Össur Inc公司投入商用。2006年,他创建了 iWalk公司,让 Powered Ankle-Foot Prosthesis(驱动脚踝-脚假肢)和其他的仿生腿设备投入商用。Herr教授影响了许多学术社团,他受邀参加许多国际会议和学术讲座,包括第四届国际生物力学大会、国际先进假肢大会、世界经济论坛以及TED演讲等等。同时,他还是《神经工程与康复日报》、《国际机器人研究杂志》、IEEE Transactions生物医学工程部的联合编辑。2007年,Hugh Herr被获得第13届 Heinz奖。

Robohub记者Audrow Nash采访了Hugh Herr,以下是采访内容:

Audrow Nash: 你可以讲述一下你是为何截肢的吗?

Hugh Herr:

我从小是一个登山迷,从七岁就开始登山,大家都叫我攀岩天才,我的目标是成为世界上最棒的登山运动员。不过,1982年发生在新罕布什尔州华盛顿山的那场暴风雪,彻底改变了我的人生轨迹。在那场暴风雪中,我和同伴迷了路,被迫在山中度过了3个温度接近-30℃的黑夜。在被解救后,我的双腿因为严重冻伤,而不得不截去了膝盖以下的肢体。   

Audrow Nash: 截肢之后你有继续你的攀岩生涯吗?

Hugh Herr:

在失去了我的双腿之后,我一度感到绝望不知所措。后来我去康复中心装上了假肢,虽然有了它们,我的外表看起来就像正常人一样,但是我不能攀岩。再后来,我发现:我所需要的假肢并不需要看起来像真腿一样,而是需要有着真正的功能,让我能够重返攀岩生涯。

因此我开始了深入的思考与研究:我的假肢必须有坚硬的脚趾,必须非常轻,它可以站在硬币大小的岩石表面,可以站在岩石的裂纹之中。几个月之后,我打造了能够实现上述功能的假肢。并且在截肢的一年之后,重新回到了其钟爱的登山运动中。

Audrow Nash: 那么你又是如何转到学术领域,成为MIT的教授呢?

Hugh Herr:

事实上,我家族中的男性都投身在建筑业之中,但我却不喜欢建筑业。而我曾经的梦想是成为世界上最棒的登山运动员,但是截肢之后,我开始上大学了,这是我曾经没有打算过的事。首先,我从最基本的数学和计算机科学课程修起,我发现自己对这些课程有着无比强烈的热情,我非常喜欢科学,这种热情渐渐取代了我对于登山的热情。后来,我在MIT拿到了机械工程硕士和生物医学博士学位,并在做生物医学器械博士后的时候,开始研究仿真人腿的假肢机器人系统。   

Audrow Nash:你现在穿戴的这套假肢就是你的研究成果,可以简单地介绍一下它吗?

Hugh Herr:

我现在所穿戴的是两只仿生腿,每一只上都有3个微处理器和12个传感器。微处理器就像大脑一样,它们能够控制肌肉一样的制动器,让制动器能够移动、加硬、驱动我的“人造脚踝”。而传感器能够测试位置、速度、加速、压力和温度,同时也能结合位置和速度。

Audrow Nash: 和其他的假肢相比,这款假肢有何特别之处呢?

Hugh Herr:

世界上所有其他的脚部或脚踝部假肢都是人类驱动,这就意味着它们是靠着佩戴它们的人们来传递力量,因此穿戴者走起路来很费劲。而我现在穿戴的假肢是仿生的,在人们走路之时,它可以向人们的步伐传递能量,这就像是他们被截掉的那部分肌肉向步伐传递能量一样。

Audrow Nash: 它们是如何和你的身体相契合的呢?

Hugh Herr:

在MIT,我们有一只独立的团队专门研究如何让假肢契合人们的身体。想要腿部假肢契合身体,最重要的是要打造舒服的人造膝盖。我们研究了很多理论,做了很多实验,努力让假肢能够在最大程度上给予穿戴者舒服的感觉。最后,我们做出了一个杯状的设备作为膝盖,它能够支撑我的体重,这种形状可以在最大程度上给我舒服。在测量了此设备的各种参数之后,我们3D打印了它。

Audrow Nash: 那么可以讲述一下这其中所蕴含的技术吗?

Hugh Herr:

我们利用包含嵌入式处理器、传感器、无线网络、模拟器件以及控制软件在内的嵌入式系统,把机械工程与生物力学、神经网络控制学相融合。在嵌入式系统中,处理器就像人的大脑,传感器像人的眼睛和耳朵,模拟器件就相当于人体的肌肉,软件算法则让所有器官发挥功效。与PC不同,嵌入式系统一般体积微小、功耗很低、软硬件一体化,可以嵌入到几乎现实世界的所有物体中,实现人们让它完成的智能功能。   

Audrow Nash: 那这种嵌入式系统是如何和假肢结合的呢?

Hugh Herr:

在我设计的人工膝盖中,传感器和处理器可以持续感知关节的位置和适于肢体的负载,以便去协调腿部运动。

我设计的世界上第一个踝足假肢机器人系统,利用多个传感器、微控制器和模拟器件来模仿人体肌肉骨骼结构和运动,第一次给小腿截肢者提供了一个自然的步态。同时,更重要的是,传感器可以植入到使用者的肌肉之中,这样它们真的能够成为使用者身体的一部分。

Audrow Nash:穿上这个,你的感觉如何?

Hugh Herr:

每个月,我都对它们进行升级,希望如此训练到80岁时,这对假肢能够变成自己的“血肉之躯”。很快,会有其他传感器植入到我的肌肉组织中,它们可以感受肌肉的运动,再与假肢系统互动。再过50年,假肢也可以把它感受到的信息映射给嵌入到我肌肉的传感器,这样,我就可以感觉到假肢的感受,感觉假肢”肌肉“的收缩和拉伸,判断我现在走路的状况是否适合假肢,从而帮助我更好地行走。因此,对我来说,我的假肢就是为我打造的,是定制化的。

Audrow Nash: 你们现在已经做出了杰出的成就,那么你们的目标是什么呢?

Hugh Herr:

我们的目标是打造便宜和可复制的假肢,让每个截肢的人都能用得上假肢,为他们的生活带来美好。同时,我们对未来的畅想是这样的:每个人都有自己身体的电子数据,这样当他们某天需要与身体相关的某个设备时,他们能够获得定制化的仿生设备。就像量体裁衣一样,每个人都能获得属于自己的独一无二的设备。

Audrow Nash: 这样一来,所有设备都是定制的,那么这样会非常依赖3D打印技术吗?

Hugh Herr:

3D打印是一种工具,并不是主宰一切的科学。不过,它在很大程度上帮助我们打造定制化的设备。

Audrow Nash: 除了假肢,你的团队也在研究外骨骼,可以简单的介绍一下你们研究的外骨骼吗?

Hugh Herr:

在我的理解之中,外骨骼就是穿在身上的机器人,它能够给人能量,让人更加强大。

19世纪,俄国发明家Jagen就发表了对于外骨骼的设想,他的梦想就是让俄罗士兵穿上外骨骼,变得更加强大。而直到2014年,科学家才成功打造出了能够提高人们行走和跑步功能的外骨骼。而这款外骨骼就是出自我们团队之手。我们打造的外骨骼是在膝盖以下,从小腿中部到脚部。简单来说,它就是一种人造小腿肌肉。小腿肌肉对于行走来说最为关键,它为行走提供80%的力量。而这款外骨骼能够加强小腿的力量,让人变得强大。

Audrow Nash: 我知道对于外骨骼来说传感器非常重要,那么你使用的传感器是怎样的呢?

Hugh Herr:

我们对传感器的设计要求非常严格。在人们行走在非常之深的水中时,传感器也不能受到损害。我们测试了不同的放置部位、速度和加速器,并得出了很多数据。从数据中,我么能够得出扭矩、压力等等,在此之后,我们才得出一个模型。

Audrow Nash: 使用你的外骨骼产品是怎样的一种体验?

Hugh Herr:

人类身体非常有趣,因此当人们开始使用它时,人们很快就能感受到它所提供的能量,并能很快习惯这种能量。当你脱下它时,你会觉得身体非常重,你的行动缓慢而吃力。这就告诉我们,穿戴外骨骼在将来也许会变成一种常态,人们也许会厌倦自己的身体,想用外骨骼让自己的身体变得更为强大。

Audrow Nash: 你觉得打造外骨骼的瓶颈在哪里?

Hugh Herr:

我觉得我们在设计和建造方面会遇到瓶颈。人机交互领域还存在着很多人类未知的部分,因此将一个仿生结构穿在身上,并实时受到控制它的控制是一件比较困难的事,因此这会对设计造成很大的挑战。

Audrow Nash: 你们的短期目标是什么?

Hugh Herr:

我们有三个短期目标。第一,我想要打造更好的肌肉制动器,争取让这种制动器比人类的自然肌肉更好。第二,我想要彻底理解末梢神经系统和设备之间的交互界面,这样我们才能知道如何和神经末梢交流。第三,我想要探索出更好的方法,让机器与身体契合。这三个创新将会重新定义本世纪的仿生学。如果我们实现了这三个目标,我们的长期目标就基本实现了。

2015年,Hugh Herr登上了TED的讲台,讲述了他一路奋斗的过程。其中一句话给人留下了深刻的印象:

一个真正的人类是永远不可残缺的,相反,是技术的残缺,技术的不发达,让人不得不过着残缺的生活。

演讲的最后,Hugh Herr邀请了一位芭蕾舞演员,她在波士顿恐怖爆炸案中不幸失去了一条腿。

Herr 教授告诉她说:“我们能让你继续跳舞。”200天以后,女孩重新回到舞台。她健全的腿跳舞时的肌肉和血液信号,同步传感给义肢,义肢与她融为一体。

让残缺的人完整,让不幸的人幸福,这就是Hugh Herr的梦想,他坚信自己的梦想可以实现,并一直在努力着。

Via:Robohub

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