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半机械人的奥运会

2020-03-04全萌

大科技·百科新说 2020年12期
关键词:仿生学外骨骼假肢

全萌

一个中年人带着钢铁手套紧张地安装灯泡;另一个人正身着“钢铁侠”套装奋力走楼梯。他们为什么穿着酷炫的装备,却干着超简单的事情?其实,你看到的是一场世界级的残疾人运动会,被称为“仿生学奥运会”。与普通的运动会不同,它鼓励选手“开外挂”,穿戴高科技辅助装备,挑战一项项对普通人简单、对残疾人却极其困难的任务。

与机器合体的残疾人运动会

2016年10月8日,有4600名观众涌进了瑞士苏黎世的一家竞技场,观看了一场前所未有的赛事。来自21个国家的50支队伍,在6天的时间内,进行了一系列“半机械人”之间的竞赛!所有的参赛选手均是残疾人,他们丧失了部分肢体或者身体瘫痪,但可以借助世界上最先进的技术和设备来完成比赛。与传统的奥林匹克运动会相同,仿生学奥运会也是每4年举办一届,第二届仿生学奥运会于2020年11月13至14日举办,每支队伍在各自场馆比赛,由官方裁判员在场记录成绩,并通过视频直播比赛情况。

穿机械腿走楼梯

这项比赛由膝盖以下被截肢的选手参加,他们可以穿戴任何种类的腿部假肢进行比赛。他们的任务也很日常,共有6项,比如从沙发上站起来、爬楼梯或斜坡、“跳桩子”等,在最短时间内完成最多项任务的选手获胜。未来,选手在进行以上任务的同时还要挑战动手任务,比如搬运水桶、箱子等物体。

用机械臂干针线活

在这项比赛中,所有选手都失去了手肘以下的部位,他们需要戴着各自团队研发的电动手臂,精准操作一系列物品,比如控制金属线圈走“迷宫”、切一块面包并涂上酱汁、模拟晾衣服等等。谁的电动手臂接收信号越灵敏,谁就能越快完成比賽。在一些任务中,裁判还会要求选手蒙上双眼,通过电动手臂的触感来真正“摸”到物体,分辨物体的形状、材料等特征。

套上“机甲”,克服路障

这项比赛的参赛者属于下肢瘫痪,而他们的辅助设备是机械外骨骼。这是一种套在人腿外侧的机械框架,上面有传感器、电极和电动机,可以引导选手的膝盖、脚踝做出正常的腿部摆动,并完成走斜坡、上楼梯、转圈圈、跨木板、弯腰捡东西、叠杯子等任务。不过,选手们使用的机械外骨骼较重,通常在20千克左右,十分耗电,需要研究人员进一步设计出轻量、节能的外骨骼装置。

为什么做这么简单的动作?

对正常人来说比较简单的日常活动,往往是残疾人每天都会遇到的难题,例如爬楼梯、挂衣服或摆放餐具,即使现在有很多辅助设备比如轮椅、假肢,它们也不能完美地贴合人体,常出现穿戴不适、辅助效果不佳的情况。为了让实验室研发出更好的辅助设备,更符合残疾人在日常生活中的真实需求,仿生学奥运会选择从最简单的日常活动入手,测试这些辅助设备是不是真的对残疾人有用。

想骑单车就电一下

在这场比赛中,选手腰部以下全部瘫痪,即他们的大脑与下半身的肌肉神经联系被切断了,没办法让下半身动起来。但这项比赛却能通过一种叫“功能性电刺激”的技术,恢复选手控制肌肉的功能。参赛选手的自行车有一个手柄,手柄里有一个电击按钮,当选手按下按钮后,一股电流会传递至植入腿部皮肤的电极,微弱的电流会刺激腿部神经,使肌肉收缩,选手的腿部就能弯曲并踩动踏板,自行车就能动起来了。选手驾驶的是平卧自行车,不需要担心平衡的问题,但必须在8分钟之内骑完全程,最快者获胜。

坐轮椅翻“山”越“岭”

这项比赛的参赛选手需要驾驶机动轮椅,完成6种障碍赛,比如爬楼梯和斜坡道、穿越不平坦的地面等等。选手们通过操纵杆、舌头控制器、触摸板或其他设备来控制轮椅,而这项比赛的难点在于操控轮椅在狭窄的空间中行驶,比如门道或家具之间;如果地形不够好,比如有很多钢管路障,机动轮椅得想方设法驶过去;在下楼梯的过程中,裁判还会要求选手暂停、保持不动一段时间,以此证明对轮椅的控制能力。

用意念玩电脑游戏

这项比赛有点奇怪,只见参赛选手坐在电脑屏幕前,紧盯着屏幕,但手却一动不动。这些选手都是全身瘫痪的人,即颈部以下的身体都无法活动,不过他们的大脑仍然可以发出信号,于是科学家为选手们提供了电极帽,检测他们大脑的活动,并将信号传到计算机上,支配游戏角色的行动。不同团队会给选手设计不同的思维规则,比如埃塞克斯大学团队给一位选手设计了四条思维规则:移动右手——跑、移动腿部——跳跃、电话响了——滚动、脑海里的文字——保持不动。

人和技术一起“升级”

参加仿生学奥运会的选手均以团队形式参赛,每个团队至少有一名“驾驶员”,即穿戴辅助设备进行比赛的人,还有技术支持方(大学或公司),技术支持方由若干科学家和技术人员参赛。双方必须紧密合作,在比赛开始前一起开发、测试辅助系统和装备,以使驾驶员获得最舒适、有效的使用体验。每项比赛的金银铜牌都有两名获得者,分别是驾驶员和技术支持方,而该赛事的6项竞赛分别为:电动手臂假肢竞赛、电动腿假肢竞赛、动力外骨骼竞赛、功能性电刺激自行车竞赛、电动轮椅竞赛和脑机接口竞赛。

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