李智军:科技助民解难

  科幻电影《钢铁侠》里的工业家及发明家Tony为逃生制造了高科技盔甲,摇身变成“钢铁侠”保卫地球。现实生活中,“钢铁侠”的金属外衣并不存在,但科技工作者对可穿戴外骨骼机器人的研发从未停歇,这项起步不久的高科技,已经在医疗康复等民用领域崭露头角。国家杰出青年科学基金获得者、华南理工大学自动化科学与工程学院教授李智军研发的正是这样一款可穿戴的外骨骼康复机器人。其相关成果已发表于国际顶级期刊IEEE Trans. Industrial Electronics、IEEE Trans. on Fuzzy Systems、IEEE Trans. Mechatronics等,荣获IEEE国际学术奖励7次、提名奖6次,省部级奖励4次,相关技术达到了国际先进水平,基于这样的成果,李智军教授担任了三个IEEE汇刊副主编、IEEE人机智能控制协会生机电与仿生机器人系统技术委员会主席,和2016IEEE先进机器人与机电系统大会主席。

李智军教授

民生问题驱动的康复机器人研究

  科学家对康复机器人的研究可追溯至上世纪60年代,目前美国、英国、加拿大和日本等国家处于领跑地位。随着人口老龄化问题的加剧,康复机器人的研究显得越来越重要。“我国一年大概有3000万人患脑中风病,并且这个患病率以每年8%的比例在上升。同时,脑中风的病患中大概有75%可能会留下终生残疾的问题,这为康复医疗带来很大的压力。”李智军说。

  “科技为民而生”,正如李智军强调的:“机器人研究必须能解决实际问题。”迫于这样的实际需求,我国也开始研发康复机器人。但由于相关理论和技术的欠缺,国内康复机器人的研发还相对落后,行内迫切渴望改变现状。

  2003年,李智军到日本电气通讯大学做博士后研究,那里,他第一次接触到外骨骼机器人。这个超前的研究领域让他一见钟情,他深深地被其巨大的发展前景所吸引。李智军表示:“外骨骼机器人是这一领域的研究前沿。对于因脑中风等丧失运动能力的患者来说,智能机器装备能代替肢体进行运动,可视为残障人士的另一套骨骼。”李智军深知外骨骼机器人的研究需要生物、机械、电子、数学、康复医疗等跨学科的理论支撑,他没有马上启动项目,而是在理论研究上积淀了七年。2010年,他把外骨骼康复机器人的研究正式提上日程,主攻仿生机器人和生机电系统的研究。

李智军与学生一起探讨“类人移动机械臂”的双臂协调控制技术难题

“钢铁侠”现实化的科学实践

  尽管在电影里,像“钢铁侠”那样的外骨骼机器人概念并不罕见,然而鉴于基础技术的限制,它还未能成为真实的存在。事实上,外骨骼机器人的研究,需要克服众多难点,其中就包括了机器人的变刚度。“刚度”是使物体产生单位变形所需的外力值,人体运动时肌肉产生的生理信号可换算为“刚度”,进而传递给机器人。然而,相比于机器,人的动作是柔韧性、自由度极高的,这为机器人的动力学建模带来很大的挑战。比如拿鸡蛋,如果机器人不够“温柔”,过于“刚烈”的动作就会把鸡蛋捏碎。

  李智军研究的是可穿戴机器人,它将与脑中风病人“人机合一”,带动病人进行康复训练,这就对机器人的安全性和柔韧性提出了更高的要求。经过多年努力,李智军的团队采用生物信号反馈驱动方式,通过采集人体生理电信号等生物信号实现对康复运动轨迹的操纵,最终研制出一款生物融合式的新型智能可穿戴康复机器人。这款机器人全身上下有22个自由度,是目前国内拥有最多自由度的康复机器人,它针对不同的患者设有多种康复模式,还提供了丰富有趣的虚拟场景和训练游戏,做到以人为中心,实现了人机融合,保障了适应能力和安全性。

李智军团队研制的多款康复机器人

康复机器人产业化指日可待

  经过前期大量的技术研究沉淀,李智军团队研制的智能可穿戴式康复机器人已步入临床测试阶段,通过与中山大学附属第一医院、上海瑞金医院、广东第二中医院等合作,正在逐步完成临床试验改进,已形成较为完善的功能体系和服务体系。这意味着,我国自主研发的具有国际先进水平的康复机器人投产指日可待,它的投产将有望改变康复机器人依赖进口的现状,提高我国康复机器人技术水平和市场竞争力,促进我国康复机器人产业化。

  “脑中风发病后的术后康复是个非常缓慢的过程,长期的康复训练常常需要坚持一两年甚至更长时间,导致康复师供不应求。康复机器人在一定程度上可以把康复师解放出来,从而帮助更多的病人,它的产业化具有很高的临床应用价值。”李智军说。目前,李智军团队正在跟山东揽盛机器人等几家企业进行产学研合作。下一步,他们将更加侧重于提升康复机器人的人机交互功能,把人的反馈信号传递给机器人,变“机器带人训练”为“人机互动训练”,提供更加人性化、个性化的服务。

  随着科技的飞速发展,我们试想,也许在数十年、上百年后,机器人已经是人类身旁能干的助手、你我身边不可或缺的伙伴,它可能是你的工作搭档,你的管家、保姆、康复师、保健医生……从衣食住行到生老病死,我们会继续遇到这样那样的问题,而科技终将为民而生、助民解难。

 

《新视点》第11期团队

文 字:张  薇

图 片:许  颖  受访者提供

编 审:柯 宁 孙宏志

总策划:王丹平