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2018-08-13, 17:22:53

Apache/2.4.18 (Ubuntu)

Yii Framework/2.0.11

?2016年在蘇黎世舉行的人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)，其中一項(xiàng)比賽是電脈沖功能控制自行車賽。（ETH Zürich/Alessandro Della Bella）

撰文 | 蕾切爾·布雷澤

翻譯 | 王    爍

校譯 | 蔣海宇 莊秋莞

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今年3月，世界各地的參賽者齊聚韓國，參加2018年第12屆冬季殘疾人奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)。運(yùn)動(dòng)會(huì)上，有行動(dòng)障礙的運(yùn)動(dòng)員們將會(huì)參加很多比賽：從滑雪、單板滑雪，到冰球和冰壺。有些選手會(huì)借助物理輔助工具，比如輪椅和“坐式滑雪板”。你也許不知道，還有一場賽事，專門針對(duì)“輔助技術(shù)” 的使用者。

這就是2016年10月在瑞士蘇黎世舉辦的“人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)”（Cybathlon），由瑞士頂級(jí)學(xué)府蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）主辦。該活動(dòng)旨在展示可用于幫助行動(dòng)障礙者的前沿技術(shù)。相較于傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中的勝利，人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)更關(guān)注那些對(duì)行動(dòng)障礙人士并不容易實(shí)現(xiàn)的日?；顒?dòng)，如爬樓梯、晾衣服，或準(zhǔn)備早餐桌。

來自25個(gè)不同國家的科學(xué)家和工程師組成了56個(gè)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)并制造了各種裝備。66名有行動(dòng)障礙的選手將操縱這些前沿設(shè)備，參與六項(xiàng)規(guī)則各異的比賽。這簡直是個(gè)輔助裝置的一級(jí)方程式比賽，有義肢，有腦機(jī)接口技術(shù)；駕駛員則是人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)的劉易斯·漢密爾頓（Lewis Hamilton）們。他們的生活可能不像專業(yè)賽車手那樣熠熠生輝，但每位選手的發(fā)揮對(duì)于團(tuán)隊(duì)的成功都至關(guān)重要：贏得比賽就是將技術(shù)創(chuàng)新用到極致。

人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)的理念最初由羅伯特·瑞納（Robert Riener）提出，他是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院健康科學(xué)和技術(shù)系動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。他曾一直思考如何填補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室制造的設(shè)備與殘障人士真正需求之間的鴻溝?！八Ｍ褜?shí)驗(yàn)室里的成果應(yīng)用到殘障人士的生活中”，羅蘭·西格里斯特（Roland Sigrist）說。他和達(dá)里奧·懷斯（Dario Wyss）（二人都跟隨瑞納接受博士訓(xùn)練）共同組織了這一賽事。

但瑞納沒預(yù)料到2016年比賽的規(guī)模。“我們之前并不知道人們是否會(huì)感興趣，也不知道他們的反應(yīng)怎么樣，”西格里斯特承認(rèn)道，“他們會(huì)歡呼雀躍還是無動(dòng)于衷？會(huì)不會(huì)因?yàn)樘珶o聊離場？”結(jié)果是，這場活動(dòng)成為一項(xiàng)令人激動(dòng)而緊張的公眾體育賽事?！疤y忘了，”西格里斯特說，“整個(gè)觀眾、車手和團(tuán)隊(duì)熱情高漲，真是一次獨(dú)特的經(jīng)歷?！?/p>

在4600名觀眾的注視下，人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)向公眾展示了輔助技術(shù)是如何幫助提高生活質(zhì)量的?！氨荣愄钊伺d奮了，緊張又迷人，”安娜·馬特朗-費(fèi)爾南德茲（Ana Matran-Fernandez）說，她是埃塞克斯大學(xué)的工程師，這次帶領(lǐng)英國團(tuán)隊(duì)“頭腦風(fēng)暴者”參加了人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)，并在腦機(jī)接口比賽中贏得銅牌。在這項(xiàng)比賽中，參賽選手需要通過思想來控制電腦游戲中的角色。

她的熱情感染了其他的參賽者，比如奧爾多·費(fèi)薩爾（Aldo Faisal），一名來自英國帝國理工學(xué)院的神經(jīng)技術(shù)學(xué)家，他帶領(lǐng)“帝國理工”隊(duì)參加了比賽。“用體育比賽的形式向世界展示更多的可能性，真是太棒了。”他說。但是人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)不僅僅旨在讓人們關(guān)注前沿科技，更在于賦權(quán)科技產(chǎn)品的使用者，讓他們也能與科學(xué)家和工程師合作?！耙?yàn)楣こ處焾F(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)中沒有考慮終端用戶，以致大量的技術(shù)項(xiàng)目快結(jié)束時(shí)，使用者覺得‘這根本沒法用’。”費(fèi)薩爾解釋道。

人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)展示了大量尖端科技。研發(fā)這些技術(shù)需要有對(duì)人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)的深入理解。就義肢來說，需要能在不同的表面及不同的受力條件下運(yùn)動(dòng)。輔助設(shè)備也越來越多地通過電子信號(hào)去控制運(yùn)動(dòng)，為此我們需要尋找它跟用戶間有效的交互方式。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)跨學(xué)科的程度也越來越高：物理學(xué)家、工程師、計(jì)算機(jī)科學(xué)家都參與其中。

費(fèi)薩爾的團(tuán)隊(duì)參與了包括動(dòng)力臂義肢賽在內(nèi)的幾場比賽。在動(dòng)力臂義肢賽中，失去胳膊的參賽者需要完成一系列任務(wù)，比如通過開關(guān)晾衣夾來模擬人們曬衣服的動(dòng)作。最新的人機(jī)合體設(shè)計(jì)力求讓義肢自動(dòng)執(zhí)行用戶的預(yù)期動(dòng)作，所以最自然的實(shí)現(xiàn)方式便是去檢測用戶殘余肌肉中的電子信號(hào)。

基于大量學(xué)生項(xiàng)目在物理、數(shù)學(xué)和工程方面的已有工作，“帝國理工”隊(duì)采用了新的方法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這一方法避免了動(dòng)力臂義肢的一個(gè)大問題：用戶和義肢之間的電接觸很容易失效，尤其是用戶開始出汗的時(shí)候。這種情況一旦發(fā)生，義肢將接收不到用戶的電子信號(hào)。“帝國理工”隊(duì)利用肌肉收縮時(shí)會(huì)震動(dòng)這一現(xiàn)象，采用了與眾不同的方法來控制義肢。

他們的系統(tǒng)通過一個(gè)聲學(xué)麥克風(fēng)探測用戶二頭肌發(fā)出的力學(xué)信號(hào)，也就是所謂的肌動(dòng)圖（Mechanomyography），將檢測電子信號(hào)取而代之。這些微弱的震動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)換成微伏級(jí)別的電子信號(hào)反饋，然后傳送給機(jī)械臂以完成動(dòng)作?！拔覀兡艿玫礁玫臄?shù)據(jù)信噪比，而且這也比在每塊肌肉放置高增益放大器（high-gain amplifiers）便宜百倍?！辟M(fèi)薩爾解釋道。

在人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)上還有一項(xiàng)包含動(dòng)力外骨骼技術(shù)的比賽，不過這項(xiàng)技術(shù)還并不成熟。不能行走或是行動(dòng)不便的人，穿上這些自帶動(dòng)力的硬質(zhì)“步態(tài)康復(fù)”裝備，就可以直立行走了。當(dāng)然，人們通常還需要拄拐杖來保持平衡。 這聽起來有些科幻，但在一些脊髓損傷康復(fù)部門已經(jīng)可以看到這些裝備了。不過，目前的設(shè)備行動(dòng)遲緩，用戶的行走速度通常只有正常行走速度的三分之一，就像《神秘博士》中的戴立克（Dalkes）一樣上樓艱難。

在外骨骼比賽中，那些完全癱瘓、不能控制雙腿的選手需要完成爬樓梯、坐到椅子上和操控設(shè)備穿過坡道這樣的項(xiàng)目。由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者組成的“變形腿”（VariLeg）團(tuán)隊(duì)接受了這項(xiàng)挑戰(zhàn)。他們從零開始設(shè)計(jì)他們的外骨骼，力圖最大化地復(fù)制人體動(dòng)作。做起來比聽起來要難得多。如果你四肢健全，與其他物體碰撞不會(huì)影響你行走。踏上一塊石頭，你的腿也能隨心所欲地彎曲或者伸直?！叭祟愅耆亲詣?dòng)做到這些的。我們的研究正嘗試模仿這種自然行為?！眻F(tuán)隊(duì)成員福爾克·巴滕巴赫（Volker Bartenbach）說。

?VariLeg團(tuán)隊(duì)(ETH Zürich/Alessandro Della Bella)

在機(jī)器人學(xué)里，“柔順性”（compliance）指靈活性或者柔韌性。這使得一個(gè)健全的人抓起雞蛋時(shí)不把雞蛋捏碎。相反，一個(gè)沒有柔順性的機(jī)器人，無論遇到什么阻礙，仍會(huì)按預(yù)定路徑到達(dá)預(yù)設(shè)點(diǎn)。柔順性允許定位變化，也是“變形腿”團(tuán)隊(duì)試圖使外骨骼擁有的性質(zhì)，讓他們的用戶適應(yīng)起伏。

“人類肌肉非常復(fù)雜，但我們?cè)趪L試模仿?！卑碗秃照f。他的團(tuán)隊(duì)將彈簧集成到腿部關(guān)節(jié)，以使其柔順。其膝關(guān)節(jié)由可變剛度驅(qū)動(dòng)器（VSA）驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)整彈簧的拉伸幅度，關(guān)節(jié)剛度得以調(diào)整，外骨骼便能適應(yīng)不同的表面。這些彈簧目前是預(yù)設(shè)好的，但巴滕巴赫實(shí)驗(yàn)室的工作人員也正嘗試讓用戶任意控制外骨骼，甚至讓外骨骼自動(dòng)化。

外骨骼比賽中，變形腿是七支隊(duì)伍中的第五名。最終獲勝的是德國公司瑞沃克（ReWalk），該公司制造商用外骨骼系統(tǒng)，供家庭及供康復(fù)中心使用。與F1比賽相似，嫻熟的選手和技術(shù)創(chuàng)新一樣關(guān)鍵?！耙?yàn)檎系K很多，這項(xiàng)比賽尤其不容易。”巴滕巴赫說。比賽的一項(xiàng)要求選手走過一系列不平的墊腳石，這需要很高的機(jī)動(dòng)性才能完成?！拔覀兊南到y(tǒng)目前不具備這種機(jī)動(dòng)性，但未來可能會(huì)有?！彼a(bǔ)充道。

人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)的另一項(xiàng)特色輔助技術(shù)是腦機(jī)接口（BCI）。這是一新興領(lǐng)域，人們通過在頭皮上放置電極來探測大腦里的電子信號(hào)。腦電圖技術(shù)（EEG）將特定的信號(hào)和特定的想法對(duì)應(yīng)起來，這樣人們就可以通過思想控制計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備。在腦機(jī)接口比賽中，選手只能通過思想來控制電腦游戲中的角色過關(guān)斬將。

據(jù)艾克賽森大學(xué)“頭腦風(fēng)暴者”隊(duì)的馬特朗-費(fèi)爾南德茲介紹，BCI設(shè)計(jì)中最重要的部分是清楚地識(shí)別思想不同指令時(shí)，腦中信號(hào)的不同態(tài)樣。在她的項(xiàng)目里，她需要讓選手一次一次地想不同的東西，再用算法尋找其中區(qū)別夠大的信號(hào)以用于比賽。馬特朗-費(fèi)爾南德茲解釋說，“你要在穿戴者的大腦皮層上，尋找產(chǎn)生不同信號(hào)態(tài)樣的那些腦活動(dòng)。”

?前橄欖球運(yùn)動(dòng)員大衛(wèi)·羅斯（David Rose），他代表艾克賽森大學(xué)“頭腦風(fēng)暴者”隊(duì)參賽，由他大腦中特定想法產(chǎn)生的電信號(hào)將會(huì)控制電腦游戲中的角色。

正在思考的選手是大衛(wèi)·羅斯，一名前橄欖球運(yùn)動(dòng)員。馬特朗-費(fèi)爾南德茲從網(wǎng)上論壇聯(lián)系到他。他非常想要成為“頭腦風(fēng)暴者”隊(duì)的一員。測試過羅斯之后，馬特朗-費(fèi)爾南德茲和同事選定了四種指令：三種用于控制角色向不同方向移動(dòng)，一種用于停止。用于發(fā)出指令的思想分別是：移動(dòng)右手，移動(dòng)腳，回想電話鈴聲和在腦子里玩文字游戲。這些指令產(chǎn)生了能被BCI識(shí)別的信號(hào)，因?yàn)樗鼈儊碜源竽X的不同區(qū)域。

可惜這套系統(tǒng)是專門為羅斯的大腦設(shè)計(jì)的。如果別人想用，必須重新編程，因?yàn)槊總€(gè)人大腦發(fā)出的信號(hào)態(tài)樣有些微不同。馬特朗-費(fèi)爾南德茲解釋說，當(dāng)癱患者長時(shí)間只能思考動(dòng)作，卻不能做出動(dòng)作，他們就不再去想這些動(dòng)作。正常人中觀察到的產(chǎn)生某腦皮層信號(hào)的區(qū)域，就可能會(huì)轉(zhuǎn)移到新的地方。

像外骨骼比賽一樣，選手的表現(xiàn)對(duì)人機(jī)接口也很重要?！笆湛s頸部肌肉產(chǎn)生的信號(hào)，比人機(jī)接口的信號(hào)強(qiáng)得多，會(huì)干擾整個(gè)系統(tǒng)?！瘪R特朗-費(fèi)爾南德茲解釋說。幸虧羅斯經(jīng)驗(yàn)豐富，“頭腦風(fēng)暴者”隊(duì)摘得銅牌。

人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)成功的關(guān)鍵在于它讓前沿技術(shù)直接在比賽中呈現(xiàn)并相互較量。如費(fèi)薩爾所說，研究人員研究輔助技術(shù)時(shí)，通常只獨(dú)立地做產(chǎn)品，很少和其他人比較?！按蠹叶几髯龈魇?，從未以參賽作為標(biāo)準(zhǔn)要求自己。這里我們這樣要求自己，也使不同方法的好處盡顯?！彼f。

人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)也讓人們認(rèn)識(shí)到不同技術(shù)的發(fā)展程度，了解什么可能，什么不可能，并澄清誤解?！氨热缯f，目前腦機(jī)接口并不好用，但人們以為它已經(jīng)近乎讀心術(shù)了，其實(shí)遠(yuǎn)非如此。”費(fèi)薩爾說道。

假臂這種商業(yè)應(yīng)用超過50年的成熟技術(shù)，面臨的問題也不少。在蘇黎世的比賽中贏得動(dòng)力臂義肢比賽的隊(duì)伍用了相對(duì)較為陳舊的技術(shù)：基于肩部肌肉的活動(dòng)去張開和握緊手部?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)實(shí)生活中，有30%的義肢在第一次使用后的6個(gè)月內(nèi)就會(huì)被丟棄?！?費(fèi)薩爾說。當(dāng)使用者發(fā)現(xiàn)設(shè)備不好用，用起來不舒服或者很麻煩，我們就得找到用起來更符合直覺的設(shè)備?！八枰划?dāng)做身體的一部分。這就要求我們的設(shè)計(jì)包含認(rèn)知科學(xué)和心理學(xué)的思考?！?費(fèi)薩爾繼續(xù)說道。

做外骨骼開發(fā)的公司和相關(guān)科學(xué)讀物的機(jī)構(gòu)正迅速增長，exoskeleton.com在2015年就收錄了50多家。蘇黎世聯(lián)邦理工的研究員們成立了一家名為瑞士瑪藥（MyoSwiss）的公司，開發(fā)可穿戴式肌肉支撐裝置，以改善肌肉無力人群的活動(dòng)能力。巴滕巴赫不是這個(gè)公司的一員，他認(rèn)為，盡管使癱瘓病人完全擺脫輪椅還要等至少十年，但患者們可能會(huì)在一些情況下開始使用外骨骼，比如離開椅子時(shí)?！巴夤趋啦荒苤斡鷦?chuàng)傷，但它讓你的身體保持活動(dòng)狀態(tài)。目前的任務(wù)就是讓這樣的設(shè)備活動(dòng)地更快，變得更輕、更便宜?！?/p>

馬特朗-費(fèi)爾南德茲對(duì)腦機(jī)接口的未來卻不樂觀。目前的通訊技術(shù)可以讓使用者一分鐘說兩到三個(gè)字?！斑@對(duì)于一個(gè)能打字或者說話的人來說實(shí)在太慢了”，而且也不可能把這項(xiàng)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來，“沒有系統(tǒng)能過濾你在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)干擾?！彼f。

腦機(jī)接口應(yīng)用最熱的領(lǐng)域是針對(duì) “閉鎖綜合征”患者的。他們有意識(shí)但是完全癱瘓，有時(shí)甚至連眼睛都不能動(dòng)。在2017年，來自荷蘭烏德勒支大學(xué)的研究者在患有閉鎖綜合癥、深受運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病折磨的病人身上植入了腦機(jī)接口。他們的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)上被放置了電極，這些電極又和一個(gè)植入胸部的發(fā)射器相連。當(dāng)移動(dòng)雙手這個(gè)想法產(chǎn)生時(shí)，他們可以控制一個(gè)輸入系統(tǒng)，每分鐘輸出兩個(gè)字。

?人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)的頒獎(jiǎng)儀式（ETH Zürich / Nicola Pitaro)

有了這么多前景美好的研究，下一屆蘇黎世人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)暫定于2020年5月舉辦。組織者希望下一屆能舉辦兩天，比這次時(shí)間更久?！拔覀冇?6個(gè)團(tuán)隊(duì)名額，比2016年出30個(gè)?！蔽鞲窭锼固卣f。雖然比賽項(xiàng)目會(huì)保持不變，但合辦者懷斯透露：一些項(xiàng)目會(huì)增加額外挑戰(zhàn)。在主賽事之前，歐洲各大高校還會(huì)舉辦一些小型項(xiàng)目。其中一個(gè)會(huì)在明年于奧地利格拉茨舉辦。

2016年參加過比賽的這些“老兵”正策劃著2020年復(fù)賽的新戰(zhàn)略，并關(guān)注著技術(shù)創(chuàng)新。馬特朗-費(fèi)爾南德茲就在勸說同事組建一個(gè)新隊(duì)伍參加下次比賽，并開發(fā)出實(shí)用的人機(jī)接口系統(tǒng)。這正是人機(jī)合體奧運(yùn)會(huì)意義所在。如果能促進(jìn)輔助技術(shù)的發(fā)展，那它就會(huì)在不久的將來向我們展示這些研究的價(jià)值與回報(bào)，并讓人們的日常生活受益。

本文為Physics World專欄的第11篇。

第一篇：中國的挑戰(zhàn)和變化

第二篇：第一個(gè)中美合作大學(xué)的物理研究所的故事

第三篇：專訪張富春：讓外國學(xué)者長期留在國內(nèi)是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)

第四篇：中國沖刺月球計(jì)劃

第五篇：隨機(jī)行走人生路，量子計(jì)算是歸途

第六篇：什么情況下冷水比熱水升溫快

第七篇：文科教育為什么不能偏廢？

第八篇：如何寫一份面向工業(yè)界的簡歷

第九篇：液晶隱形眼鏡幫助老年人“看清”未來

第十篇：動(dòng)物集體行為背后，到底是何機(jī)制？

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