如果你有幸接觸并了解國家自然科學基金聯合基金項目“面向肢體功能重建的智能康復機器人基礎理論與關鍵技術”（以下簡稱聯合基金項目），你可能會被這兩件樣機產品所吸引。
一件是一只不足1千克、“長”著五根靈巧手指的假肢手。它能通過采集分析佩戴者的肌電信號，實現佩戴者對假肢手的自主控制，比如做出握拳、放松、伸展、抓取小球等動作，還能比出“OK”（好的）手勢。
患者體驗假肢手。受訪者供圖，下同
另一件是一套“基于下肢運動想象和機器人輔助的腦控自主行走訓練系統”。患者戴上腦電帽，靠自己的意念想象行走、上樓梯、下樓梯等動作，就能驅動這套系統自主地完成行走、上下階梯。
患者體驗下肢康復智能機器人做康復訓練。
“這兩件樣機是項目組為幫助兩類失能患者而長期鉆研的成果，凝聚著大家多年的心血。”聯合基金項目負責人、中國科學院自動化研究所（以下簡稱自動化所）研究員侯增廣對《中國科學報》說。
“一類是因中風、脊椎損傷導致神經損傷后有肢體功能障礙的患者，一類是因截肢等原因缺失肢體的患者。我們希望應用目前先進的技術幫助他們重建肢體功能、重拾生活的信心和快樂。”團隊成員、自動化所研究員王衛群告訴《中國科學報》，近年來他們在聯合基金項目支持下，與國內多家科研單位強強聯合，實現了這兩類設備相關的多項理論和技術突破。
康復機器人，想說“智能”不容易
在“萬物皆可智能”的今天，康復機器人想要變智能，卻不是一件容易的事。
早在20世紀80至90年代，西方國家已開始探索康復機器人的雛形。在那之后的一二十年里，康復機器人主要靠機械臂等輔助手段，通過簡單的機械結構幫助患者完成肢體被動訓練。受限于當時的傳感器技術與控制算法，設備僅能實現單一軌跡的重復運動，與“智能化”相去甚遠。
20年前，侯增廣投身醫工交叉領域，希望將自動化技術與醫學相結合，用于治病救人。在讓康復機器人變得更加智能這條路上，他探索了很久。據了解，侯增廣團隊在康復機器人領域探索10年后，才發表了在該領域的第一篇國際期刊論文。
但他堅定地認為“這條路能走通”。在他看來，人工智能和機器人是相伴而生、相輔相成的。機器人是驗證人工智能最好的平臺，同時也是檢驗人工智能算法、方法的一個有效工具。
“最早的康復機器人主要是幫助患者行走，如果我們把器具看作初始的前端，從趨勢上可以預見機器人將能非常有效地代替人類進行康復治療工作。一方面是恢復運動能力，另一方面是幫助生活不能自理的人或生活能力下降的人恢復并保持他們原來的生活能力，甚至提高他們的生活能力。”在一次報告分享中，侯增廣如是說。
2011年，王衛群主動結束了自己5年“電控工程師”的生涯，來到自動化所師從侯增廣攻讀博士學位。他說，自己當時是被康復機器人的研究意義和技術挑戰所吸引。
“早期的康復機器人并不能說是智能的。我們的項目名稱加上‘智能’兩字的最重要原因是要讓患者主動參與到康復訓練或日常活動中來，這需要突破許多智能化技術。”王衛群解釋說，“主動參與的意思是，患者有想法的時候，我們得把他的想法識別出來；患者有異常狀態，要能實時監控，機器人的狀態也要隨之調整。”
侯增廣告訴記者，臨床早有結論，患者主動參與康復訓練，與被設備帶著訓練是有區別的。已有實踐證明，引導患者“主動康復”的訓練方式，遠比被動牽引更有效。
強強接力，鋪平臨床應用道路
為掌握“主動”，侯增廣團隊在聯合基金項目支持下，聯合國內5家優勢單位通力協作，突破前沿智能化技術，并“集成”到康復機器人身上。
靈巧假肢手由這一領域有顯著優勢的3個研究團隊通力合作研制完成。華中科技大學教授熊蔡華團隊基于機構仿生學，做出擁有16個“關節”、5個驅動器的假肢手主體，它的五指既能獨立運動也可協調運動，可模擬人類的日常運動功能；中國科學院深圳先進技術研究院研究員李光林團隊主攻“肌肉電信號采集”，他們從蜘蛛絲中汲取靈感，研制了超薄、超貼膚的柔性可拉伸電極和微針電極陣列，能可靠采集肌電信號；李光林團隊還聯手時任中國科學技術大學教授的李智軍團隊，為假肢手開發“神經接口芯片”，給假肢手裝上“大腦”，使其能“讀懂患者想法”，精準響應患者的運動指令。
王衛群介紹，在下肢康復智能機器人系統中，團隊增加了“腦電信號”作為識別患者意圖的信號來源。
“在這套系統中，我們引入了腦機接口技術，提出了基于功能電刺激和虛擬現實反饋的運動想象腦機接口新范式。”他告訴記者，這款機器人集成了人機交互顯示屏，能實時播放跟蹤患者運動的虛擬現實場景；患者需要根據虛擬場景的變化進行主動決策，如看到平地或臺階，決定自己要正常邁步還是要上下臺階。顯然，腦電信號的處理在此過程中扮演的角色至關重要。為此，團隊專門提出了面向腦電信號高效解碼的一系列算法，以實現對截癱患者下肢運動意圖的在線準確解碼。
“通過整合生物電信號（肌電、腦電等）和機械運動信號、環境感知信號，我們建立了多維度信息融合模型，實現人體運動意圖的快速精準識別。”侯增廣介紹，團隊同時研發了自適應控制算法與人機協同控制策略，避免機器人“過度輔助”，引導形成“患者主導”的訓練模式，從而顯著提升人機交互的柔順性與安全性。
此外，聯合基金項目合作單位國家康復輔具研究中心、華中科技大學附屬同濟醫院負責為假肢手、下肢康復智能機器人系統的功能和性能進行檢測和臨床驗證。
“目前相關樣機已經在數十例患者身上試用，得到了醫患一致好評。”王衛群告訴《中國科學報》，有一名臥床半年的女孩在試用了下肢康復智能機器人后說，她重新找回了自己上下臺階的記憶。“我們希望樣機從實驗室走出去，在臨床上用起來。”
聯合基金讓團隊“有自驅力去專注做事”
“聯合基金項目的支持讓大家能夠專注于研發。”王衛群說，假肢手以及智能康復機器人的設計及制備，屬于復雜系統的開發，涉及的學科、團隊、技術路線繁多，“需要傾注很多精力”，特別“需要沉下心來”去做研發工作；而聯合基金項目管理不過多干預研究過程，在技術路線探索上賦予一定自由度和包容性，這使得各合作團隊都能夠“有自驅力去專注做事”。
他對記者說，引入腦機接口技術手段實現對患者意圖的實時在線識別，從一開始就是一只“攔路虎”。
“我們平時看到的腦機接口信號，大多是在靜態下獲取的，沒有其他干擾；但在康復機器人上，患者是運動的，人在運動中會產生多種生理信號，例如眨一眨眼睛、扭一扭脖子都會產生明顯的肌電信號，會顯著干擾腦電信號的識別。”王衛群說，在這種情況下，要可靠解碼腦電信號是非常難的。“光是解決這個問題，我們前后就花了一年多。如果沒有穩健的支持，我們恐怕沒法沉下心來去解決這類難題。”
作為項目負責人，侯增廣認為聯合基金項目的支持恰逢其時，對推動我國康復機器人領域發展具有重要意義。“康復機器人在中國有很大的市場和商業契機。但我國起步較晚，還缺乏成熟的、市場普遍認可的產品。康復機器人將來的發展趨勢有很多主線，而基于人機交互的控制是康復機器人發展的一條重要主線。”
《中國科學報》：你們認為聯合基金項目有別于其他基金項目的特點是什么？拿到這項基金意味著什么？
侯增廣團隊：這是一個可以集合國內優勢團隊一起開展系統性、有重大挑戰性科研工作的基金項目，對于解決一類或一系列科學難題非常有幫助。我們的項目劃分了幾個課題，每個課題都對應著一個或幾個大問題。對我們而言，拿到這項資助，意味著有機會推動康復機器人領域進一步發展。
《中國科學報》：在聯合基金項目執行過程中，國家自然科學基金為這種跨區域、跨領域、跨部門的協同創新提供了哪些制度保障或激勵機制？
侯增廣團隊：相對而言，聯合基金項目在管理上不過度干預團隊的研究過程，只要是有利于實現最終研究目標的調整都是被允許的，大家在各自課題下能更好地去挖掘潛力、解決難題。
《中國科學報》：對于未來進一步優化聯合基金機制、促進更多“從0到1”的突破，你們有哪些建議？
侯增廣團隊：我們認為很多科研探索都是無法提前精確規劃的，如果考核指標定得太精細，反而可能妨礙創新。
本文鏈接：他們接力給康復機器人“提智”http://www.sq15.cn/show-11-27596-0.html
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