如果你有幸接觸并了解國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目“面向肢體功能重建的智能康復(fù)機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”（以下簡稱聯(lián)合基金項(xiàng)目），你可能會(huì)被這兩件樣機(jī)產(chǎn)品所吸引。

一件是一只不足1千克、“長”著五根靈巧手指的假肢手。它能通過采集分析佩戴者的肌電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)佩戴者對(duì)假肢手的自主控制，比如做出握拳、放松、伸展、抓取小球等動(dòng)作，還能比出“OK”（好的）手勢。

患者體驗(yàn)假肢手。受訪者供圖，下同

另一件是一套“基于下肢運(yùn)動(dòng)想象和機(jī)器人輔助的腦控自主行走訓(xùn)練系統(tǒng)”?；颊叽魃夏X電帽，靠自己的意念想象行走、上樓梯、下樓梯等動(dòng)作，就能驅(qū)動(dòng)這套系統(tǒng)自主地完成行走、上下階梯。

患者體驗(yàn)下肢康復(fù)智能機(jī)器人做康復(fù)訓(xùn)練。

“這兩件樣機(jī)是項(xiàng)目組為幫助兩類失能患者而長期鉆研的成果，凝聚著大家多年的心血。”聯(lián)合基金項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所（以下簡稱自動(dòng)化所）研究員侯增廣對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說。

“一類是因中風(fēng)、脊椎損傷導(dǎo)致神經(jīng)損傷后有肢體功能障礙的患者，一類是因截肢等原因缺失肢體的患者。我們希望應(yīng)用目前先進(jìn)的技術(shù)幫助他們重建肢體功能、重拾生活的信心和快樂?！眻F(tuán)隊(duì)成員、自動(dòng)化所研究員王衛(wèi)群告訴《中國科學(xué)報(bào)》，近年來他們?cè)诼?lián)合基金項(xiàng)目支持下，與國內(nèi)多家科研單位強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)了這兩類設(shè)備相關(guān)的多項(xiàng)理論和技術(shù)突破。

康復(fù)機(jī)器人，想說“智能”不容易

在“萬物皆可智能”的今天，康復(fù)機(jī)器人想要變智能，卻不是一件容易的事。

早在20世紀(jì)80至90年代，西方國家已開始探索康復(fù)機(jī)器人的雛形。在那之后的一二十年里，康復(fù)機(jī)器人主要靠機(jī)械臂等輔助手段，通過簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)幫助患者完成肢體被動(dòng)訓(xùn)練。受限于當(dāng)時(shí)的傳感器技術(shù)與控制算法，設(shè)備僅能實(shí)現(xiàn)單一軌跡的重復(fù)運(yùn)動(dòng)，與“智能化”相去甚遠(yuǎn)。

20年前，侯增廣投身醫(yī)工交叉領(lǐng)域，希望將自動(dòng)化技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合，用于治病救人。在讓康復(fù)機(jī)器人變得更加智能這條路上，他探索了很久。據(jù)了解，侯增廣團(tuán)隊(duì)在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域探索10年后，才發(fā)表了在該領(lǐng)域的第一篇國際期刊論文。

但他堅(jiān)定地認(rèn)為“這條路能走通”。在他看來，人工智能和機(jī)器人是相伴而生、相輔相成的。機(jī)器人是驗(yàn)證人工智能最好的平臺(tái)，同時(shí)也是檢驗(yàn)人工智能算法、方法的一個(gè)有效工具。

“最早的康復(fù)機(jī)器人主要是幫助患者行走，如果我們把器具看作初始的前端，從趨勢上可以預(yù)見機(jī)器人將能非常有效地代替人類進(jìn)行康復(fù)治療工作。一方面是恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力，另一方面是幫助生活不能自理的人或生活能力下降的人恢復(fù)并保持他們?cè)瓉淼纳钅芰?，甚至提高他們的生活能力?！痹谝淮螆?bào)告分享中，侯增廣如是說。

2011年，王衛(wèi)群主動(dòng)結(jié)束了自己5年“電控工程師”的生涯，來到自動(dòng)化所師從侯增廣攻讀博士學(xué)位。他說，自己當(dāng)時(shí)是被康復(fù)機(jī)器人的研究意義和技術(shù)挑戰(zhàn)所吸引。

“早期的康復(fù)機(jī)器人并不能說是智能的。我們的項(xiàng)目名稱加上‘智能’兩字的最重要原因是要讓患者主動(dòng)參與到康復(fù)訓(xùn)練或日?；顒?dòng)中來，這需要突破許多智能化技術(shù)?！蓖跣l(wèi)群解釋說，“主動(dòng)參與的意思是，患者有想法的時(shí)候，我們得把他的想法識(shí)別出來；患者有異常狀態(tài)，要能實(shí)時(shí)監(jiān)控，機(jī)器人的狀態(tài)也要隨之調(diào)整。”

侯增廣告訴記者，臨床早有結(jié)論，患者主動(dòng)參與康復(fù)訓(xùn)練，與被設(shè)備帶著訓(xùn)練是有區(qū)別的。已有實(shí)踐證明，引導(dǎo)患者“主動(dòng)康復(fù)”的訓(xùn)練方式，遠(yuǎn)比被動(dòng)牽引更有效。

強(qiáng)強(qiáng)接力，鋪平臨床應(yīng)用道路

為掌握“主動(dòng)”，侯增廣團(tuán)隊(duì)在聯(lián)合基金項(xiàng)目支持下，聯(lián)合國內(nèi)5家優(yōu)勢單位通力協(xié)作，突破前沿智能化技術(shù)，并“集成”到康復(fù)機(jī)器人身上。

靈巧假肢手由這一領(lǐng)域有顯著優(yōu)勢的3個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通力合作研制完成。華中科技大學(xué)教授熊蔡華團(tuán)隊(duì)基于機(jī)構(gòu)仿生學(xué)，做出擁有16個(gè)“關(guān)節(jié)”、5個(gè)驅(qū)動(dòng)器的假肢手主體，它的五指既能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)也可協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可模擬人類的日常運(yùn)動(dòng)功能；中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員李光林團(tuán)隊(duì)主攻“肌肉電信號(hào)采集”，他們從蜘蛛絲中汲取靈感，研制了超薄、超貼膚的柔性可拉伸電極和微針電極陣列，能可靠采集肌電信號(hào)；李光林團(tuán)隊(duì)還聯(lián)手時(shí)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授的李智軍團(tuán)隊(duì)，為假肢手開發(fā)“神經(jīng)接口芯片”，給假肢手裝上“大腦”，使其能“讀懂患者想法”，精準(zhǔn)響應(yīng)患者的運(yùn)動(dòng)指令。

王衛(wèi)群介紹，在下肢康復(fù)智能機(jī)器人系統(tǒng)中，團(tuán)隊(duì)增加了“腦電信號(hào)”作為識(shí)別患者意圖的信號(hào)來源。

“在這套系統(tǒng)中，我們引入了腦機(jī)接口技術(shù)，提出了基于功能電刺激和虛擬現(xiàn)實(shí)反饋的運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口新范式?！彼嬖V記者，這款機(jī)器人集成了人機(jī)交互顯示屏，能實(shí)時(shí)播放跟蹤患者運(yùn)動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)場景；患者需要根據(jù)虛擬場景的變化進(jìn)行主動(dòng)決策，如看到平地或臺(tái)階，決定自己要正常邁步還是要上下臺(tái)階。顯然，腦電信號(hào)的處理在此過程中扮演的角色至關(guān)重要。為此，團(tuán)隊(duì)專門提出了面向腦電信號(hào)高效解碼的一系列算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)截癱患者下肢運(yùn)動(dòng)意圖的在線準(zhǔn)確解碼。

“通過整合生物電信號(hào)（肌電、腦電等）和機(jī)械運(yùn)動(dòng)信號(hào)、環(huán)境感知信號(hào)，我們建立了多維度信息融合模型，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)意圖的快速精準(zhǔn)識(shí)別?！焙钤鰪V介紹，團(tuán)隊(duì)同時(shí)研發(fā)了自適應(yīng)控制算法與人機(jī)協(xié)同控制策略，避免機(jī)器人“過度輔助”，引導(dǎo)形成“患者主導(dǎo)”的訓(xùn)練模式，從而顯著提升人機(jī)交互的柔順性與安全性。

此外，聯(lián)合基金項(xiàng)目合作單位國家康復(fù)輔具研究中心、華中科技大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院負(fù)責(zé)為假肢手、下肢康復(fù)智能機(jī)器人系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行檢測和臨床驗(yàn)證。

“目前相關(guān)樣機(jī)已經(jīng)在數(shù)十例患者身上試用，得到了醫(yī)患一致好評(píng)?！蓖跣l(wèi)群告訴《中國科學(xué)報(bào)》，有一名臥床半年的女孩在試用了下肢康復(fù)智能機(jī)器人后說，她重新找回了自己上下臺(tái)階的記憶?！拔覀兿Ｍ麡訖C(jī)從實(shí)驗(yàn)室走出去，在臨床上用起來?！?/p>

聯(lián)合基金讓團(tuán)隊(duì)“有自驅(qū)力去專注做事”

“聯(lián)合基金項(xiàng)目的支持讓大家能夠?qū)Ｗ⒂谘邪l(fā)?！蓖跣l(wèi)群說，假肢手以及智能康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)及制備，屬于復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)，涉及的學(xué)科、團(tuán)隊(duì)、技術(shù)路線繁多，“需要傾注很多精力”，特別“需要沉下心來”去做研發(fā)工作；而聯(lián)合基金項(xiàng)目管理不過多干預(yù)研究過程，在技術(shù)路線探索上賦予一定自由度和包容性，這使得各合作團(tuán)隊(duì)都能夠“有自驅(qū)力去專注做事”。

他對(duì)記者說，引入腦機(jī)接口技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)患者意圖的實(shí)時(shí)在線識(shí)別，從一開始就是一只“攔路虎”。

“我們平時(shí)看到的腦機(jī)接口信號(hào)，大多是在靜態(tài)下獲取的，沒有其他干擾；但在康復(fù)機(jī)器人上，患者是運(yùn)動(dòng)的，人在運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生多種生理信號(hào)，例如眨一眨眼睛、扭一扭脖子都會(huì)產(chǎn)生明顯的肌電信號(hào)，會(huì)顯著干擾腦電信號(hào)的識(shí)別?！蓖跣l(wèi)群說，在這種情況下，要可靠解碼腦電信號(hào)是非常難的?！肮馐墙鉀Q這個(gè)問題，我們前后就花了一年多。如果沒有穩(wěn)健的支持，我們恐怕沒法沉下心來去解決這類難題?！?/p>

作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，侯增廣認(rèn)為聯(lián)合基金項(xiàng)目的支持恰逢其時(shí)，對(duì)推動(dòng)我國康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。“康復(fù)機(jī)器人在中國有很大的市場和商業(yè)契機(jī)。但我國起步較晚，還缺乏成熟的、市場普遍認(rèn)可的產(chǎn)品?？祻?fù)機(jī)器人將來的發(fā)展趨勢有很多主線，而基于人機(jī)交互的控制是康復(fù)機(jī)器人發(fā)展的一條重要主線?！?/p>

《中國科學(xué)報(bào)》：你們認(rèn)為聯(lián)合基金項(xiàng)目有別于其他基金項(xiàng)目的特點(diǎn)是什么？拿到這項(xiàng)基金意味著什么？

侯增廣團(tuán)隊(duì)：這是一個(gè)可以集合國內(nèi)優(yōu)勢團(tuán)隊(duì)一起開展系統(tǒng)性、有重大挑戰(zhàn)性科研工作的基金項(xiàng)目，對(duì)于解決一類或一系列科學(xué)難題非常有幫助。我們的項(xiàng)目劃分了幾個(gè)課題，每個(gè)課題都對(duì)應(yīng)著一個(gè)或幾個(gè)大問題。對(duì)我們而言，拿到這項(xiàng)資助，意味著有機(jī)會(huì)推動(dòng)康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展。

《中國科學(xué)報(bào)》：在聯(lián)合基金項(xiàng)目執(zhí)行過程中，國家自然科學(xué)基金為這種跨區(qū)域、跨領(lǐng)域、跨部門的協(xié)同創(chuàng)新提供了哪些制度保障或激勵(lì)機(jī)制？

侯增廣團(tuán)隊(duì)：相對(duì)而言，聯(lián)合基金項(xiàng)目在管理上不過度干預(yù)團(tuán)隊(duì)的研究過程，只要是有利于實(shí)現(xiàn)最終研究目標(biāo)的調(diào)整都是被允許的，大家在各自課題下能更好地去挖掘潛力、解決難題。

《中國科學(xué)報(bào)》：對(duì)于未來進(jìn)一步優(yōu)化聯(lián)合基金機(jī)制、促進(jìn)更多“從0到1”的突破，你們有哪些建議？

侯增廣團(tuán)隊(duì)：我們認(rèn)為很多科研探索都是無法提前精確規(guī)劃的，如果考核指標(biāo)定得太精細(xì)，反而可能妨礙創(chuàng)新。

來源：中國科學(xué)報(bào)