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Nature:半机械人奥运会Cybathlon

2016-08-04 16:02
瑾年Invader
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  VanceBergeron曾是一位业余自行车手,每年骑行7000千米——大部分都是在陡峭的阿尔卑斯山上。但在2013年2月,这位50岁的化学工程师在骑车去法国里昂的高等师范学校(écoleNormaleSupérieure)上班的途中遭遇车祸,他的身体被弹到空中,头部遭到撞击并扭伤了脖子。醒来的时候,他发现自己的双腿再也无法移动,而手臂也因重创不再灵活。

  卧床数月,使用了各种医疗手段后,Bergeron开始寻找让自己回归赛车手的方法。他开始学习神经科学,主要研究将人变为「半机械人(cyborg)」的机器人假肢:人与机器的结合体。他了解到,有些假肢通过一种叫做功能性电刺激(FES)的技术给萎缩的或残存的肢体传输信号,能够帮助肌肉收缩并修复某些功能。

  恢复了一段时间后,Bergeron可以使用轮椅了,他立即在实验室中将那个创意付诸实践。他的研究重点变成了神经科学。他把自己当成实验室的小豚鼠,与团队一起研究如何刺激腿部神经才能让腿部肌肉弯曲并踩动自行车。「我成为了自己的研究项目,一举两得。」他说。

  Bergeron定期参加增肌训练,但他那受人工刺激的双腿的功率仍然最多达到20瓦特,仅为普通自行车手的150到200瓦特的十分之一。为了提高假肢性能,他和队员正尝试在碳纤维横卧三轮车中放入FES控制器和电极。10月8号,他将带着这个发明来到瑞士的苏黎世,与Cybathlon的其他FES自行车手一决高下。

  机器学习

  这项比赛耗资500百万欧元,来自全世界25个国家的约80个研究小组都在为此次盛事厉兵秣马。其中既有小型团队也有世界最大的先进假肢制造商,涉及到的科学家,工程师,技术支持员工,及参赛人员等约有300位。参赛人员都是残障人士,每人将从六项比赛中选择一项,挑战自己处理日常生活中杂务的能力。假肢用户的比赛中,第一个完成做饭、挂衣服等任务的半机械人将取得冠军。而在电动轮椅比赛中,参赛者将比拼在发生碰撞,上台阶等日常情况下的导航能力。

  Cybathlon挑战赛的设计内容尽可能地接近日常工作。

  比赛场地——苏黎世的可容纳7600位观众的冰球体育场上,应该用电视摄像机拍摄赛况,每个团队要有自己的运动衣,使Cybathlon和残奥会(残疾运动员用轮椅,螺旋桨片等辅助性技术进行对抗的比赛)一样充满运动氛围。两者的不同在于,残奥会追求的是人类自己的表现:运动员必须使用市场上可买到的设备,只运用本身的肌肉力量。但Cybathlon则追求科技和创新,参赛者将使用有动力装置而且多是刚从实验室研发出来的假肢,他们更多的是驾驶员而不是运动员。Cybathlon的目标是,让参赛设备有益于技术的发展并最终使全世界的人使用。

  Cybathlon中测试的日常任务远非看起来那么容易,RobertRiener说,他是苏黎世联邦理工学院的生物医学工程师,也是Cybathlon的发起者。「我认为人们被互联网和好莱坞电影宠坏了。」他说,「我们想告诉他们世界上还有很多挑战。」

  Riener追溯了Cybathlon的起源,发现了一项慈善活动的新闻报道:2012年十一月,在一场车祸事故中失去了一条腿的男人ZacVawter,使用实验性的、机动化的假腿以仅仅45分钟爬上了芝加哥的103层的威利斯大厦。

  这个壮举震撼了媒体——以及Riener。但是,这也让Riener受挫:Vawter的设备和Riener实验室的类似的令人震撼的假体,以及来自全世界的类似设备,都没有用到需要它们的人的身上。他认为,「我们在做伟大的工作,但是没能很好地销售我们的设备。」所以,为何不从威利斯大厦上的惊人表演中吸取灵感呢?为何不通过在研究修复疗法的团体中开展竞赛来吸引人们对科技的注意呢?

  Riener的实验室团队有30个人,都对设计这样的比赛项目感到兴奋。不久之后,消息就会传给全世界的同事。

  起初,Riener考虑过主持酷炫的活动,比如使用义肢爬山。但是,在2013年与一位因癌症而失去手臂并戴上义肢的熟人交谈后,他改变了想法。他设计的设备最终是吊钩形式的,当人们弯曲残存肢体上的肌肉时,这个设备通过连接线来控制运动。它能很好地支持人们做出大幅动作,但是无法精细地控制肌肉活动。有一次,那位熟人告诉Riener,他一直在买电影票,而且,当他费力地掏出自己的钱包并抽出里面的钱时,他能感觉到排他身后的人紧盯着他,变得很不耐烦。

  Riener意识到,对于使用义肢的人来说,解决这些日常生活中的挑战是比义肢的设计需求更加重要和有实际意义的,比如说,像弹簧一样的假腿只不过能帮助一些人跑得更快而已。所以,他确定Cybathlon比赛绝对不应该像奥林匹克运动会一样。

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