“身体互换”机器人揭示大脑如何支撑我们的直立姿态

如果一台机器人能够向我们展示大脑是如何保持平衡的呢？不列颠哥伦比亚大学的科学家们制造了一台机器人——他们的发现可能有助于为数百万人的跌倒风险降低开辟新的途径。

由不列颠哥伦比亚大学研究人员建造的高大的“身体互换”机器人，给科学家们提供了前所未有的视角，观察大脑是如何让我们保持站立的——这一技能我们几乎不会注意，直到年龄或疾病影响到我们。

他们的研究结果，今天在 科学机器人学 上发表，与埃拉斯姆斯医疗诊所的研究人员合作，揭示了为了保持平衡，大脑几乎以相同的方式处理感官反馈的延迟，就像处理身体机械变化一样。换句话说，在保持平衡时，我们的空间感和时间感似乎遵循着相同的原则。

这真令人兴奋，因为它为新的实际应用打开了大门，”高级作者、UBC运动学教授让-塞巴斯蒂安·布鲁安博士说。“如果我们理解大脑如何应对延迟和机械变化，我们就可以为老年人设计辅助设备或康复策略，甚至可以制造出更像我们的人形机器人。”

身体交换的物理学

保持直立是大脑最复杂的任务之一。每秒，它协调来自眼睛、内耳和脚的信号，评估、预测并纠正与重力相关的运动。

即使是健康成年人，平衡信号也不会立刻到达。信息从身体传递到大脑再返回肌肉时，会有自然的延迟。衰老或糖尿病神经病、多发性硬化等疾病可能会加重这些延迟，增加跌倒的风险。“想象一下，当方向盘反应延迟半秒时驾驶汽车，”布鲁因博士说。

研究大脑如何处理这些延迟几乎是不可能的——你无法轻易减慢神经信号，或在某人站立时改变他们的身体机制。但UBC的机器人平台可以做到这一点，利用物理学的巧妙原理改变你身体的感受。

参与者站在连接到高精度电机驱动的背板上的力板上。该系统再现了控制直立姿势的主要力量：向下的重力、抵抗运动的惯性，以及粘度，也就是肌肉和关节的阻尼效应，比如防止倾斜变成跌倒。

实时中，机器人调整这些力量。增加惯性让身体感觉更重；更高的粘度像是刹车，而负粘度则正好相反——就像有人推你，让你在移动的方向上跌得更快。

机器人还可以增加一个短暂的延迟——大约200毫秒，差不多是眨眼的时间——在你尝试移动后短暂地让身体保持静止。这个暂停让你感觉反应迟缓，就像神经信号减慢一样，因此你的平衡调整会在你预期之后出现。

“机器人让我们重新编写你身体通常遵循的规则，”布鲁因博士说。“在瞬间，你在完全不同的物理法则下移动——就像是换了一个身体。”

三项测试，一个重大发现

团队进行了三项实验。首先，他们引入了延迟，观察到20名参与者剧烈摇摆，常常超过系统的虚拟极限，也就是在现实生活中他们会跌倒的点。

接下来，他们测试了改变身体属性是否可以模拟相同的效果。降低惯性或施加负的粘度使参与者同样不稳定，许多人表示，这种感觉与延迟平衡很相似——这表明大脑以重叠的方式解释空间和时间。

最后，他们反过来思考：调整身体机制能否帮助补偿延迟？他们邀请了十名从未体验过该机器的新参与者，并让他们体验了一次延迟。当机器人增强惯性和粘性时，参与者本能地重新找回了控制。他们的摇摆幅度减少了多达80%，大多数人没有摔倒。

“我们惊讶于增加惯性和粘性可以部分抵消由延迟反馈引起的不稳定性，”首席作者保罗·贝尔兹纳（Paul Belzner）说，他曾是UBC运动学硕士生。

这对预防跌倒意味着什么

跌倒是老年人面临的最严重健康风险之一，常常剥夺人们的独立性，并使加拿大的医疗保健系统每年花费超过50亿加元。

当神经信号减慢时，没有简单的方法可以加速它们。“这就是我们研究结果如此令人兴奋的原因，”布鲁因博士说。“这表明我们可以通过另一种方式提供帮助——给身体提供一点机械助力，让大脑更容易保持平衡。”

未来的工具可能会有一些可穿戴设备，当人开始摇晃时会增加轻微的阻力，或机器人训练器，帮助患者适应较慢的反馈。这些相同的见解甚至可以帮助工程师设计更稳定的人形机器人。

UBC的机器人很快就会搬到新建的Gateway健康大楼，UBC平衡与跌倒研究中心、运动学学院、生物医学工程学院和老龄化智能中心的研究人员将在那里使用它来推动防跌倒技术的发展，支持更健康的老龄化。

更多详情： Patrick Forbes等，机器人操控人类双足行走的研究揭示了空间和时间的重叠内部表征，科学机器人（2025年）。 DOI: 10.1126/scirobotics.adv0496. www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adv0496