日本造出改变世界的产品，可穿戴机器人HAL

3月2日，Cyberdyne HAL早年就精心研究造出的商品化的“可穿戴机器人HAL”获得了在美国销售的批准。

可穿戴机器人HAL是一款划时代的、适用于脑血管疾患等或高龄造成的腿力变差的患者的腿部、步行功能自立动作支援的外骨骼机器人。

其实大家对于这种外骨骼机器人都并不陌生： 好莱坞科幻大片如《明日边缘》中，外骨骼被汤姆·克鲁斯和一众士兵穿上后成为超级战士，战斗力直接增强数倍；更有为大家所熟知的钢铁侠，穿上盔甲之后上天入地无所不能。

《明日边缘》剧照

2004年，在日本政府的资助下，日本筑波大学教授山海嘉之成立了Cyberdyne公司，次年便在爱知世博会上推出其旗舰产品HAL（Hybrid Assistive Llimb，即混合辅助假肢），并凭借这一系列机器成为日本最著名的机器人公司。

▲Cyberdyne创始人山海嘉之与外骨骼机器人HAL

今天我们就来详细介绍一下这款智能可穿戴机器人HAL的神奇之处。

HAL的基本信息

1.什么是HAL

HAL(Hybrid Assistive Limb)是可以改善、辅助、扩展身体功能的世界首个穿戴式医疗辅助设备。

HAL可以使“人”、“设备”与“信息”进行融合，不仅可以获得极大的助力，为残障人士提供支撑，甚至可以刺激脑部，以激发神经来重新学习养成运动感觉。

HAL重达23公斤，由充电电池驱动，续航时间接近2小时40分钟。它可以通过运动神经元获取大脑的神经信号，它最神奇之处在于可探测到皮肤表面非常微弱的信号，之后通过动力装置控制肌肉和骨骼的移动。

在HAL的帮助下佩戴者不仅可以进行正常的日常生活，还可以完成站立、步行、攀爬、抓握、举重物等高难度动作。

2. HAL的研发历程

HAL由日本筑波大学山海嘉之教授（医学博士/工学博士）主导研发，并由其创办的日本筑波大学科技企业CYBERDYNE负责生产。

山海嘉之教授于1987年在同校的工学研究科博士毕业后，便开始了对于机器人的研究，通过将工学、脑部科学、神经性乃至心理学等各学科知识的揉和，开发出能够依照人类意识所控制的机器人可穿戴设备HAL，并在2004年6月，依托此研究成果设立了CYBERDYNE公司。

经过多年研究所开发的可穿戴式机器人HAL，逐渐衍化出穿戴在脚上用于基础训练的看护型以及针对因脊椎损伤、脑溢血而瘫痪患者的康复型医疗设备，并于2014年3月在东京证券所创业板上市。

3. HAL的医疗器械认证

HAL作为医疗设备，早在2013年就获得了欧洲地区的认可，取得欧盟的医疗器械CE认证，并纳入了德国公立的劳动保险。

作为世界首个穿戴式医疗辅助设备，HAL在2015年即获得厚生省新型医疗器械认证，在日本国内销售。

今年美国食品和药品管理局（FDA）批准正规医疗机构向美国用户提供日本机器人HAL。

HAL的卓越特性

1. HAL的运行原理

人在运动时，首先由脑部发出指令，再通过神经向产生动作的肌肉群发出运动信号，这是一种非常微弱的"生物体电位信号"，可在皮肤表面被探知。

HAL通过独自研发的贴附于皮肤的感应器拾取此信号，并通过处理器进行分析判断，以感知穿戴者希望做出的动作行为，分析确认后，通过动力装置带动设备帮助穿戴者完成动作。

通过使用HAL，将“行走”这一动作的反射感觉持续不断的反馈回大脑，一点一滴的重建脑部对行走所需要的指令及相关肌肉运动关联，从而使腿部行动不便的人士，通过HAL恢复自力行走。

利用“生体电位信号”（人类在身体动作的时候，会在皮肤的表面会产生较弱的电位差，这便是生体电位信号）感测功能，机器人能够感知到人的意图，并随之旋转马达，迅速动作。

如图所示，HAL 在手、脚、肩膀、肘腕、腰和膝盖等八处都安装有固定的电动马达。

穿上 HAL，抬着 40 公斤重的货物也可像拿着几公斤货物时的感觉一样轻巧，其用途有医疗现场扶助行动困难的病人、辅助残疾人动作、支援需要强重体力的作业等，涉及各个领域。

2. HAL康复训练特点

HAL穿戴简易，可以供不同类型患友使用，不仅提供各种尺寸的脚型，还可以根据腰围、步幅进行调整，通过各种细节微调，为患友带来全身包裹的安全感，实现康复训练。

训练中，每位患友都具备独立的数据管理，通过专用系统平台，可以直观的了解康复成效，并进一步优化康复训练方案。

3. HAL与普通康复机器人的区别

普通康复机器人都是非智能型，是以同一频率或者说被设定一个频率运动，患友被固定在机器上做被动式运动（机器人一旦开动是停不下来的），这对训练和保持患友下肢肌肉抑制萎缩起到很大作用，但作用还只是在表面，对神经回路的刺激作用很有限。

而HAL采用的是主动型训练，患友步行虽然还是靠机器人外骨骼的助力，但控制的不是机器本身，而是患友大脑发出的信号，通过对神经回路的刺激，逐步重建脑部与肌肉运动的关联，实现自力行走。

针对不同患者的HAL的治疗方案：

1.对于脑梗阻后双腿瘫痪的患者

在平常的移动时，需要使用轮椅。使用HAL后，如果身体安定的话，可以无看护而独自步行，并且对动作训练的积极性提高了。

2.对于事故损伤颈椎，胸部以下瘫痪的患者

穿戴HAL后，屈伸膝盖的话HAL能检测出活体电位信号。HAL根据检测出的信号带动腿部动作，完成行走活动。

3.对于进行性帕金森患者

在无看护的情况下，光起身就十分困难，更别说保持身体平衡了。在穿戴了HAL，下半身的负担减轻，可以站立、坐、步行，甚至走楼梯都能轻松完成。

4.右股关节骨折，站、坐困难的患者

在骨折的手术后，作为训练导入，穿戴HAL进行站、坐练习。 由于负担减轻，对训练的积极性提高了。

最后我们来介绍一则中国患友赴日HAL康复实例：

患友基本状况：

1. 脊柱损伤，胸6、8，受伤4年；

2. 无肢架（RGO）情况下仍无法直立；

3. 穿戴RGO能直立，脚跟能着地，靠腰力能迈步，无RGO能爬行；

4. 肌肉张力保持良好

这是该患友首次进行7分钟HAL康复训练后的实况，大腿（特别是右腿）僵硬，由腰部带动；腿脚平移拖行；膝盖无法弯曲。

这是患友经过1小时左右的HAL康复训练实况，脚跟着地，然后脚趾蹬踏地面的动作逐步出现，本来相对僵硬的右腿也开始放松，膝盖可自然弯曲。

仔细观察动图，可以发现，患友步行速度是不均衡的。正是因为步行动作完全由患友脑部指令控制，而非机器本身。

目前，HAL主要面向身体障碍者及老年人开发，租借给医疗机构和养老院；亦有面向体力劳动者开发的版本，用于建筑施工或灾害救援等。有研究表明，HAL与特别设计的康复游戏配合使用，有助于身体障碍儿童的行走训练。

虽然目前这些设备还较为笨重且价格昂贵，不过Cyberdyne公司一直致力于开发出更轻便且更便宜的型号，相信届时将有更多的人凭借这一技术恢复行动能力。