随着國家一系列人口政策出台和落地,大衆對老齡化程序有了越來越具體的感覺。伴随着人口結構帶來的緊迫感,應對老齡化的銀發經濟、老年健康産業迎來市場機遇。
智能技術作為高效保障老年人健康的方式之一,已成為大勢所趨。《“十四五”國家老齡事業發展和養老服務體系規劃》提出,要促進老年用品科技化、智能化更新;具體到産品上,要發展外骨骼康複訓練、認知障礙評估和訓練、溝通訓練、失禁康複訓練等。
其中,運動能力對老年人身心健康、社會生活參與度乃至整體生活品質都有着直接影響,而外骨骼機器人作為熱門的智能化産品,可幫助患病老年人恢複行走功能或增強助力,将在老年人的康複治療、健康維護、日常生活等多個層面發揮價值,堪稱“行走的神器”。
驅動技術疊代,外骨骼機器人發展迅速
20世紀60年代,下肢外骨骼技術開始發展起來,最初用于軍事,而後被逐漸用于康複治療領域,國外研究早于國内。20世紀80年代開始,外骨骼機器人的研制與應用在全球範圍内獲得普遍的高度重視,并且在醫療、工業與軍事領域全面發展。
外骨骼機器人的驅動技術直接影響産品性能和穿戴性,也是影響其未來發展的重要因素。
近年來,驅動系統的疊代推動了外骨骼機器人發展:在傳統驅動技術的基礎上衍生出使用氣動肌肉、電活性聚合物、磁流變液等新型緻動器的驅動技術,在傳統緻動器的基礎上發展出柔性/可變剛度緻動器,創新驅動技術的同時也為國内外科研人員提供了新的研究方向。
外骨骼機器人的驅動技術、緻動器以及優劣勢彙總,資料來源:《醫療衛生裝備》
國外已有多款代表性的外骨骼機器人應用于醫療領域,尤其是用于康複訓練。
以色列公司Lifeward(原ReWalk Robotics,2024年9月宣布更名Lifeward)研發的下肢外骨骼機器人ReWalk,适用于脊髓損傷、不完全截癱、中風等患者,幫助患者恢複行走能力,是全球首款獲得FDA的外骨骼機器人。ReWalk主要由連接配接兩側髋關節和膝關節的機器人步态裝置、外部電池組、無線模式選擇器和傳感器組成。
EksoNR是美國Ekso Bionics開發的一款外骨骼機器人,用于卒中和脊髓損傷、獲得性腦損傷患者的康複,包括創傷或動脈瘤、腦惡性良性腫瘤、氧氣損失或其他疾病導緻的損傷;EksoNR的适應症還擴大到多發性硬化症。
此外,日本Cyberdyne、瑞士Hocoma、美國Parker Hannifin、紐西蘭Rex Bionics、南韓三星等公司也推出了多款外骨骼機器人。
不同動力關節的下肢外骨骼機器人,圖檔來源:《生物醫學工程學》
在全球範圍内,外骨骼機器人在幫助肌能衰退的老年人進行康複訓練、提高老年人行走能力和生活品質方面都發揮了舉足輕重的作用;同時,技術快速疊代,産品逐漸走向機械化和智能化。
探索技術融合,康複應用趨于多樣化
盡管國内的外骨骼機器人研發應用起步相對較晚,但随着科技研發投入加大、機器人研制技術演進以及跨國企業在國内布局,國内已湧現出一批外骨骼機器人創新研發公司,其産品應用于不同的康複訓練。
國内已獲二類醫療器械審批的部分康複外骨骼産品,資料來源:國家藥監局、各公司官網
造成運動功能障礙的原因衆多,患者所需的治療方式不一。以下肢外骨骼機器人為例,産品主要是輔助患者進行站立及行走,動力關節主要是髋、膝和踝,讓髋關節實作屈曲伸展,膝關節實作屈曲伸展,踝關節實作背屈和跖屈。整體來看,下肢外骨骼康複機器人主要起到了步态矯正、增強助力、運動代償等作用。
步态矯正方面,下肢外骨骼機器人在康複醫療機構已有大量應用,其主要特點在于擁有多個主動關節,以及先進的傳感和意圖識别技術。這類裝置專注于步态的矯正,同時避免二次傷害和機器剛性摩擦,其設計核心在于準确識别患者的運動狀态,并提供安全的矯正力。
這些産品中,程天科技推出的悠行UGO康複外骨骼适用于脊髓損傷、腦卒中、下肢肌無力或其他神經系統疾病導緻下肢運動功能障礙患者;産品基于“神經可塑性”原理,多傳感器融合、感覺運動意圖,糾正異常步态、建立正常步态。
安傑萊的LiteStepper單下肢外骨骼康複訓練器則專為偏癱患者設計,輔助偏癱患者針對患側下肢進行康複訓練。産品采集患者健側主動運動的步态資訊、研判運動意圖、分析并學習其步态特征,帶動患側進行與健側相适應的運動再學習康複訓練。
邁步機器人的H系列下肢外骨骼康複訓練機器人以專利技術柔性驅動器作為動力輸出,并通過特有專利技術動力踝關節提供背屈助力,在助力下重複練習屈、伸動作,糾正足下垂和足内翻的問題,提升平衡能力,糾正異常步态。
增強助力方面,産品主要在于幫助那些由于肌力不足而行動不便的老年人,特别是能夠獨立行走而無需外部支撐的患者;針對肌力退化的老年人或骨折後康複患者,其設計則需注重提供額外的力量支援。
例如,傅利葉的ExoMotus M4可幫助各類型下肢運動障礙的患者在早期實作站立及步行功能訓練,在康複早期給使用者提供正确的感覺輸入,抑制異常步态形成。
增強助力型産品的核心特性包括輕便性、長續航力和精準的步态識别能力,可采用輕型柔性外骨骼設計。
如司羿智能的EasyWalk下肢軟體外骨骼幫助解決卒中患者、腦外傷等的行走障礙問題,産品采用了軟體結構,僅重3kg,集中在腰部、易于穿戴,可避免傳統剛性外骨骼強制使用者行走的機械運動形式。
運動代償方面,産品主要為完全或部分喪失運動能力的截癱患者設計,通過裝置的運動功能來代償患者失去的行動能力。這類裝置将安全性和穩定性作為設計首要,兼顧患者日常生活的運動需求,并力求模拟自然步态。
以布法羅機器人推出的Aider為例,産品能實作獨立站立行走,可用于步态訓練、下肢肢體運動訓練、肢體協調性訓練、力量訓練、認知訓練和姿态控制訓練等,進行全身系統性協調訓練,可針對脊髓空洞症、脊髓炎、脊髓損傷等導緻的截癱或四肢癱的患者進行。
近年來,康複外骨骼機器人積極探索技術融合,促進産品更新疊代,并進一步提升産品的安全性、有效性和智能化。
基于腦機接口的外骨骼系統将運動意圖轉換為外骨骼的控制信号,使患者可以在外骨骼的驅動下執行運動,提供了更為豐富的感覺運動回報,在結構和功能方面提高神經系統可塑性,實作意圖-驅動閉環回報,為下肢運動功能康複提供新的治療政策。
虛拟現實及增強現實技術或可創造沉浸式虛拟環境,或可将虛拟世界與現實環境疊加,二者由此成為數字世界與真實場景的連接配接紐帶;運用到外骨骼康複中,則可将康複訓練系統融入真實環境,為使用者帶來真實、多樣化的互動體驗,尤其适合在家庭康複場景、沒有康複治療師幹預的情況下使用。
此外,随着近年來人工智能技術的不斷進步,人工智能也已應用于外骨骼機器人,幫助患者進行功能性行走和步态訓練、進行外骨骼的安全性、耐受性和行走功能功效評估,可進行深度學習的智能機器人研發已成為必然趨勢。如愛布機器人研發了基于人工智能算法的智能外骨骼機器人,專業化訓練模式,幫助患者實作神經系統整體康複。
是以,腦機接口、人工智能、虛拟現實及增強現實等前沿技術逐漸融入外骨骼機器人研發制造,使得外骨骼機器人更能從真正意義上成為一套穿戴在身體外部,能夠與使用者協調或平行工作,以增強身體素質和完成既定動作為目的的智能裝置。
應用空間開拓,産品能否普及到“人均”一套?
總的來說,随着大陸人口老齡化程序加深,在康複護理資源整體不足的背景下,外骨骼康複機器人可在醫療機構内助力老年人康複效率和品質的提升。随着延遲退休等一系列與老齡化相關的政策落地,老年人對來自行動能力的功能康複更加重視,行業機遇進一步擴大。
在這一趨勢下,外骨骼機器人的應用場景正加快從醫療機構延伸至家庭,在康複中後期使用,或作為日常助行工具使用,以幫助患者更好地恢複功能、回歸社會、預防複發。目前,多家企業已布局居家康複型的外骨骼機器人、消費級助行裝置,解決個人康複訓練、日常行走等問題。
其中,程天科技推出了悠行UGO康複外骨骼個人版,适用于社群和家居場景的個人康複使用,裝置采用機械固定和綁帶保護設計,可根據使用者的身體參數進行手動刻度調節,操作簡單,非專業人員在學習後即可協助穿戴者使用。
新松機器人的下肢外骨骼訓練器在使用者與專業醫生或治療師定期溝通下,也可用于居家場景,幫助偏癱患者激發患側肢體主動參與能力,提高日常生活水準;并幫助患者糾正異常步态和足内外翻、足下垂問題,改善雙腿重心分布,增加患側着地時間,提高步行速度。
很顯然,外骨骼康複機器人在老年人由疾病康複轉變至健康狀态輔助方面應用價值巨大。同時,外骨骼技術已在工業、物流等重體力勞動領域有諸多應用,減輕勞動者長期工作時的負擔,并減少腰肌勞損等問題。例如,太希智能的有源腰手外骨骼機器人可為使用者的大腿、腰部、手部進行智能助力;傲鲨智能的外骨骼機器人覆寫上肢、腰部、下肢、全身等,還推出“千元級外骨骼”産品;邁寶智能的産品已經切入到工業物流、汽車裝配、家政服務等多個領域。
是以,對于仍參與體力勞動的老年人來說,工業型外骨骼機器人也能起到健康維護的作用。據了解,作為全球老齡化水準最高的國家之一,日本的外骨骼機器人發展主要源于老齡化帶來的社會需求。在日本,産業巨頭進行外骨骼産品研發時,醫療與工業并重,除了助老助殘的醫療應用之外,許多公司在申請專利的同時還把目光投向了工業應用,即通過外骨骼技術減輕勞工作業負重。
外骨骼機器人面向醫療和工業有着技術上的同一性,同步發展政策可提升研發效率。不過,國内企業在醫療應用和泛工業應用的融合研發上涉足還不多,随着人口老齡化和勞動力短缺的問題日益突出,既解決老年人的康複問題,又針對老年人身體機能特征、解決勞動場景中的健康維護問題,有望成為外骨骼機器人市場進一步發展壯大的路徑之一。
但要看到,外骨骼機器人普遍價格昂貴,在全球市場内,大多在數萬至數百萬之間,核心部件的成本和終端産品價格成為制約外骨骼機器人商業化的一大因素。此外,無論在哪個場景,多數老年群體對外骨骼器械的了解還較少,也在一定程度上制約了産品的應用。
當然,外骨骼機器人也被應用于兒童及其他相應疾病的康複訓練,本文暫不讨論。
對于老齡化而言,外骨骼機器人的市場需求已是确定性的存在。未來,随着科技進步、大衆消費能力與意願提升,對罹患疾病導緻行動不便或運動能力下降的老年人來說,是否能實作“人均”一套外骨骼以獲得更佳的晚年生活品質?這還取決于行業通過持續的技術疊代降低産品成本,進一步驗證産品安全性與有效性,并加深目标群體對外骨骼産品的認知。