外骨骼技术或将重新定义残疾

一位女性的故事阐述了希望、毅力和创新工程如何帮助行动不便的人们重新站立起来

我24岁,感觉自己是无敌的。我教健美操。我是短跑运动员、跳远运动员,曾是学校的田径队长和芭蕾舞演员。我喜欢在空中旋转,在海滩上奔跑,在荒野中徒步旅行。

所有这一切都在一瞬间改变了。一次滑雪时,一个意外的空翻让我摔断了四节椎骨,也粉碎了我对永生的幻想。一股电流窜过我的腿,然后我失去了骨盆以下的所有活动能力和感觉。我瘫痪了。

1992年冬天,当我躺在医院的病床上时,一位年轻的医生走进我的房间,说出的话语在我身体的每个细胞中回响:“阿曼达,你再也无法行走了。” 仿佛为了缓和打击,他又补充道:“但你仍然可以生孩子。” 我毫无反应的身体静静地躺在简陋的房间里。我的头脑被吗啡弄得昏昏沉沉。震惊让我完全麻木了。


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胸椎10、11和12以及第一腰椎——医生们简称为T10、11、12和L1——被压碎了。就像参差不齐的岩石撞击河流一样,破碎的骨碎片撞击了我的脊髓,阻止了细胞获得氧气,从而导致它们死亡。

根据克里斯托弗和达娜·里夫基金会的数据,在美国,近五十分之一的人,总共约六百万人,患有瘫痪,通常是中风的结果。我代表着该国130万脊髓损伤患者之一。这是一种残酷的伤害,不仅在于无法行走。它意味着要为失去性能力和自主排尿和排便的能力而悲伤。它还涉及到处理继发性并发症,如剧烈的神经性疼痛。

我花了一些时间将伤痛转化为智慧,消除任何自我设限,并过上更丰富、更充实的生活。我花了23年的瘫痪时间才明白,接受和希望必须共存。适应性技术使我能够滑雪、皮划艇和手摇自行车。然而,我最深切的渴望始终是学习如何再次行走。

幸运的是,我们生活在一个技术以前所未有的方式增强人类潜能的时代。科学正在使人们能够放飞梦想并互相帮助。在辅助运动的历史上,首次出现了一种超越标准轮椅和无动力矫形器的移动选择:仿生外骨骼套装。这项技术已经改变了我自己的生活,并且有望为许多其他人恢复尊严和自力更生。我们正站在重新定义“残疾”这个词的悬崖边上。

为行动而造
当一个人遭受脊髓损伤时,无法行走会带来许多可能危及生命的并发症。心脏和肺脏功能不佳,血液循环受损,体温失调,肠道和膀胱功能严重紊乱。一个人坐得越久,关节挛缩、肌肉萎缩、骨质疏松症和称为褥疮的压疮的风险就越大。随着时间的推移,行动不便可能会导致社会隔离。综上所述,这些问题会导致寿命缩短。

瘫痪可以逆转吗?干细胞疗法当然充满希望。最近将运动训练与脊髓电刺激相结合的研究也表明,脊髓网络可以通过特定任务的练习来学习。研究表明,脊髓可能像大脑一样聪明和可塑。然而,使用再生技术完全恢复功能的目标仍然遥远。

事故发生后,我知道我必须移动我的身体,否则它基本上会开始死亡。我们是为行动而生的。我通过肯定以下的话语,用意志力度过了我最黑暗的时刻:你所要做的就是迈开你的脚步……命运不等人。你准备好了。这取决于你,也只取决于你

我亲身体验到神经肌肉系统保持活跃的重要性。在事故发生后的几年里,我通过瑜伽、普拉提和物理治疗等强化疗法保持了四肢的活动范围和柔韧性。我每周训练四到五天,结合各种肌肉、心血管和平衡练习。我使用反重力跑步机(它可以抬高身体,这样我就可以进行心血管锻炼而无需腿部承受重量),在使用助行器保持平衡时佩戴长腿支具,并在侧向交替治疗平台上振动,以模拟行走的左右交替。全面的锻炼方案帮助我保持了身体健康和功能独立性。

我还让自己成为测试尖端疗法的豚鼠。受伤后十六年,我成为了一名“激进的干细胞旅行者”。我是美国第一个在印度接受有争议的人类胚胎干细胞治疗的人。该程序尚未经过严格的科学审查,因此我不能推荐其使用——但我仍然感谢它让我恢复了微弱的肌肉力量和感觉。这些益处改善了我的生活质量,即使它们没有使我能够行走。

通过所有这些经历,我清楚地认识到,在任何给定的疗法中,至少缺少行走的三要素之一。首先是腿部承受全部重量的挑战。其次,没有一种治疗方法能让我自然地行走:关节和骨骼正确排列,以及交互步态,即移动一只手臂,然后移动另一条腿,并且能够在每一步中弯曲膝盖并将脚后跟踩在地面上。最后,我无法体验伴随特定距离移动的视觉和肌肉反馈(称为本体感觉)。

这些局限性并没有使我气馁。相反,它们成为了进一步的动力。我知道,如果我希望再次行走,我就需要为迎接挑战做好身体准备。在我的白日梦中,我开始想象自己在完美对齐的状态下移动,被包裹在一个外壳中——一套我可以绑上、站起来并穿上行走的机器人套装。

站起来
2010年夏天的一个星期五下午,我接到了来自当时伯克利仿生公司(后更名为Ekso Bionics)首席执行官埃索尔·本德的电话。本德是通过口口相传听说我的。那时,我已经开始讲述我的故事,公开寻求新的治疗方法,并与一个非营利组织合作,该组织帮助瘫痪人士享受户外休闲活动。本德有一个提议:他想看看我是否愿意为《国家地理》电视频道试用外骨骼原型。我不可能拒绝。

八天后,我飞往该公司位于加利福尼亚州伯克利的所在地,在那里,摄制组只给了我四天时间来证明我可以在外骨骼中行走。按照今天的标准,原型是原始的,但其基本理念——仍然是外骨骼设计的核心——是基于人体。金属框架充当骨骼,电机像我的肌肉一样给我力量,传感器向位于背包上的中央计算机发送信号,就像神经与大脑交流一样。这些部件共同组成了一个可穿戴机器人,可以通过遥控器进行操作。

为了使用该设备,工程师们将我绑在外骨骼框架中,该框架包裹着我的腿和脚。他们将我连接到一个滑轮和系绳系统,该系统固定在天花板上,以增加安全性,因为机器人以自然的坐到站的动作将我抬起并站立起来。工程师们用遥控器控制机器人的所有动作。我的工作是保持我的重心,并根据需要转移我的体重以保持平衡。我倾斜和绊倒,而工程师们则观看并指导我。如果不是我严格的训练,我可能无法保持站立,但我到第四天就可以独立行走了(有保护员)。

那些时刻意义深远。我必须改掉在18年中使用长腿支具和助行器以及推动手摇自行车和轮椅期间养成的双手推动的习惯。我必须重新学习自然行走的动作,例如交叉侧向移动四肢(右臂,然后左腿,依此类推)。我笔直地盯着前方,紧张而犹豫,专注于我的站位。这种体验既令人精疲力竭,又令人兴奋,而且非常激动人心。想象一下,渴望某样东西近二十年,却突然在一个强有力的站立时刻得到它。

我在外骨骼中的第一步之后还会有更多步。我成为Ekso Bionics的大使,并随着技术的进步继续练习更新的型号。2012年,该公司的Ekso套装开始在康复中心商业化销售,平均价格为11万美元,外加服务和保修费。一年后,在一次大规模的社区募款活动之后,我获得了自己的个人套装。我以已故的爱犬金毛寻回犬塔克的名字命名它为“塔克”,这样我们就可以在某种意义上仍然一起去散步。

我的套装比我在2010年测试的原型更先进。“塔克”配备了智能拐杖,例如,它可以让我启动行走和站立模式,并让我触发我的第一步。另一个辅助功能使我能够调动腿部的微弱肌肉,为我的步态贡献最大的力量,而机器人的“人工智能”则驱动我完成步态,使其成为正常的步态。虽然我拥有“塔克”,但我所有的行走都是在康复环境中进行的,有物理治疗师在旁保护,以确保我的安全并且一切正常运行。(Ekso仅供临床使用,并非为日常生活而设计。美国食品和药物管理局目前正在根据新的监管分类重新审查该技术的安全性和有效性。)

迄今为止,我已经穿着“塔克”走了超过13万步。健康益处是多方面的。行走使我的消化系统变得更有效率,膀胱和肠道更有规律。我的腿部血液循环更好:它们摸起来是温暖和粉红色的,而不是冰冷和布满紫色斑点的。我腿部和脚踝的肿胀减轻了。当我站起来行走时,我的腿实际上一直麻木到我的脚趾尖。我的心脏将更多的血液输送到我的身体。我已经重新学习了正确的步态模式以及对齐我的关节和骨骼的最佳方法。

我也重新意识到我的身体在空间中的位置,通过体重转移找到我的重心,就好像外骨骼已经成为我身体地图的一部分。高剂量行走改善了我的睡眠。我的思维敏锐度提高了,仿佛头上的面纱被揭开了一样。我的神经性疼痛几乎完全消散,我享受着更好的生活质量。我坚信外骨骼技术可以降低继发性并发症的风险,并成为一种预防性保健措施。

我并不孤单地持有这种信念。全球领先的康复医院的研究人员,包括美国退伍军人事务部和新泽西州非营利组织凯斯勒基金会,正在研究外骨骼如何调节无法行走的继发性后果。凯斯勒人类运动专家盖尔·福雷斯特在2012年发现了初步证据,表明在13名脊髓损伤患者中,使用Ekso套装可以改善心脏、肺和循环系统健康。

当我穿上外骨骼,站起来行走时,我感受到了我身体的高大——这是我在一生中从未想象过的。每次我站起来,一种欣快感都会席卷我的全身,因为我感受到了我五英尺七英寸的身躯。我环顾房间,看到了东西的顶部。我最大的快乐是站在齐眼的高度,感受心与心的拥抱。在我瘫痪的23年里,我的母亲为我的失去而悲伤,并希望看到我再次行走。我迈出的每一步都是为了她。我感觉自己好像是在为每一位兄弟、姐妹、朋友、邻居或同事而行走,他们也为亲人怀有同样的梦想。

超越残疾
外骨骼除了其实际用途外,还具有重要的象征意义。1500年来,轮椅一直是数百万人的唯一出行选择。尽管它可能使像我这样的人能够过上充实的生活,但它也是残疾的普遍象征,这可能会让人感到无力。对于一些使用者来说,轮椅成为他们的全部身份。今天,我们第一次遇到了一种具有截然不同内涵的替代方案。外骨骼是科幻小说中伟大的均衡器:帮助艾伦·雷普利在《异形》中击败外星女王,并将托尼·斯塔克转变为钢铁侠。它们代表着人类的增强和想象力。

在过去的十年中,我们已经开始看到外骨骼在社会中占据一席之地,用于工业和军事用途以及物理康复。2008年,在美国国防部的支持下,伯克利仿生公司开发了一种名为HULC(人类通用负重架)的外骨骼,它允许士兵在崎岖地形上进行蹲伏、行军和跳跃,同时携带200磅的装备。多家制造商正在寻求通过将外骨骼应用于工业应用来开拓更广泛的市场,例如帮助仓库工人搬运非常大的箱子或消防员攀登多层建筑物。

至少有五个国家的公司现在生产和销售医用外骨骼。所有这些都必须在物理治疗师的指导下使用,ReWalk Robotics公司的ReWalk系统除外。去年,FDA批准了这款售价7万美元的设备在家中使用,并由朋友或家人担任保护员。我从自己的研究和测试各种外骨骼的经验中学到的是,所有这些外骨骼都提供类似的心理和基本物理治疗益处。更广泛使用的挑战是重量、成本、可访问性、最大限度地降低跌倒风险、提高功能和个性化定制。目前大多数套装的重量在22到50磅之间,价格超过7万美元。

未来的外骨骼技术不仅将生产更轻、更便宜的型号,还可以融合机器人技术、3D打印、智能材料、纳米技术、神经接口和设计,完美地融入人体。这将使我们更接近奇点的真正定义——即人与机器的融合[参见“融合思想与机器”]。但我们必须将个性和人性放在首位;目标是使机器人性化,而不是使人类机械化。

我瞥见了这一未来。2013年,3D Systems的设计工程师邀请我参与一个研发项目,以创建第一个混合部分3D打印外骨骼。设计团队扫描了我的身体,以便完全根据我的身体定制套装,并采纳了我对设备外观的想法。3D打印的部件——设计成类似于我的肌肉——轻便、透气、灵活且坚固。由此产生的套装易于穿脱,并且在没有挤压任何压力点的情况下提供了支撑。我第一次感觉,套装的外壳与我融为一体。因为我参与了它的创造,它符合我的个性。

通过3D打印,我们可以展示人体和令人惊叹的设计,以及功能性。我是设计过程的共同创造者,将人类体验融入到等式中。我可以想象出时尚、性感、流线型和女性化的套装,或者为像我这样不化妆、喜欢冒险的运动员设计的坚固耐用的套装。随着外骨骼制造商为日常生活设计出更实用的套装,我们可以期待创造出能够实现个性和自我表达的设计——终极的个人时尚宣言。

迈出步伐
我的经历使我确信,行走应该被视为一项人权。通过支持研发,我们可以迎来下一代外骨骼,并在世界范围内提高其可及性和可负担性。两年前,我创立了 Bridging Bionics 基金会,该基金会向公众宣传仿生技术的进步,并为进一步研究筹集资金,并帮助社区获得仿生设备。尽管可能有数百万行动不便的美国人可以从外骨骼中受益,但制造商目前估计,美国已售出的设备不到1000台。挑战有很多,但最主要的是可及性和价格。这些设备不仅价格昂贵,而且培训和年度维护费用也可能高得令人望而却步。这些费用中的大部分都不在保险范围内。

今年,我将“塔克”捐赠给了我的社区,以便其他人可以分享这份巨大的礼物。(我仍然会去康复中心并使用我的外骨骼。)此外,我发起了一项筹款活动,为其他瘫痪人士筹集数万美元的培训资金,这些人士符合在该设备中行走的纳入标准。

对于瘫痪或患有某种形式的下肢肌肉无力的人来说,外骨骼已经成为生物学和技术的融合,是人们想象过的最复杂的神经假肢。它是科学、工程和人类精神相结合的力量的绝佳范例。我预见到有一天,人们将不再听到“你再也无法行走了”这句话。相反,他们会听到:“是的,你可以。只是会不一样。让我们告诉你如何做到。”

延伸阅读

行走2.0:以功能性、设计和美感使机器人性化。阿曼达·博克斯特尔的演讲。TedCity2.0 米其林沙龙,中国成都,2014年11月。www.youtube.com/watch?v=HAWT5CeoH9g

外骨骼技术利益相关者观点调查。Jamie Wolff 等人,《神经工程与康复杂志》,第11卷,第169条。在线发布于2014年12月19日。

Bridging Bionics 基金会:www.bridgingbionics.org

来自我们的档案

修复脊髓Ulrich Kraft;2005年10月/11月。

SA Mind 第26卷 第4期本文最初以“行走2.0”为标题发表在SA Mind 第26卷 第4期 (), p. 46
doi:10.1038/scientificamericanmind0715-46
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