嵌入式仿生义肢:人与可穿戴的完美结合

毋庸置疑,可穿戴技术的不断进化将会为人类带来重大变革,一如上期微信中我们介绍的David Eagleman的实验室项目--利用智能马甲为失聪人群找到新的感官替代。而今天我们即将分享的来自MIT教授Hugh Herr主导的嵌入式仿生义肢将展现一个人与可穿戴技术完美结合的世界,它通过感知、计算和互联的融合诞生了人类的感官能力。

故事开始于1982年新罕布什尔州华盛顿山发生的一场暴风雪,它彻底改变了美国攀岩天才Hugh Herr的人生轨迹。因为在暴风雪中迷路Hugh Herr被迫在零下30度的气温里熬过三天三夜,因为严重冻伤导致他双腿膝盖以下的全部截肢。

但Hugh Herr并没有因此放弃人生。“在手术过程中我一直在想,如何才能继续我的梦想?”他后来回忆说,“我的答案是--依靠科技。”


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此后Hugh Herr在麻省理工学院(MIT)拿到了机械工程硕士和生物医学博士学位,并开始研究仿生义肢系统并成为MIT媒介实验室生物机电工程研究所的领导者。Hugh Herr研究设计的仿生义肢比想象要复杂得多,它需要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,将机械工程与生物力学、神经网络控制学相融合,以帮助自己和其他身体有残缺的人可以像正常人一样生活和工作。

简单地说,这种嵌入式系统就是一种“穿”在身上,融合了感知、计算和互联的智能仿生技术。在Hugh Herr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负载以便协调腿部运动;而他设计的世界上第一个踝足义肢则利用多个传感器、微控制器和模拟器件来模仿人体肌肉骨骼结构和运动,第一次为小腿截肢者提供了一个自然的步态。


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“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Hugh Herr一起工作的嵌入式半导体方案供应商飞思卡尔全球消费电子及工业类应用传感器产品部运营总监WayneChavez形象地比喻说。

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。 如今Hugh Herr研究的这些可穿戴智能技术已经部分商业化,正在帮助残障人士实现身体的“自愈”,并让他们以越来越自然的方式来生活。

Hugh Herr自己也穿戴了一个这样的踝足义肢,它包含5个微处理器和12个传感器,每个月他都要对它们进行升级,Hugh Herr希望如此训练到80岁时这对义肢能够变成自己的“血肉之躯”。


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“很快,会有其他传感器植入到我肌肉组织中,它们可以感受肌肉的运动,再与假肢系统互动。”HughHerr对记者说,“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。”

除了仿生义肢,Hugh Herr带领的实验室也在利用智能嵌入式系统来实现其他生物技术的突破,例如将一些微小的嵌入式阵列植入大脑,对大脑某些区域进行特定的干预和刺激,来治疗某种疾病;通过100Hz的声波系统让大脑某个区域产生愉悦感,让有自杀念头的人放弃自杀的想法,这种方法还可以治疗抑郁症。

IDC认为Hugh Herr及其科研团队的研究成果,体现了人类对可穿戴技术的前沿探索 - 即产品与人体的密切结合,并通过技术实现了其复杂的但高度契合人体的使用要求。长久以来,在IDC的产品设计中也秉承着符合用户自然生理需求,并通过技术实现我们大胆的设想与对创新的追求。

17 February 2016