想象一下你小时候，站在你爸爸的便鞋上，他拖着步子穿过客厅。这真是令人兴奋——像木偶一样被操纵，他的脚移动你的脚，他的臀部摆动你的臀部。但这就是穿别人的鞋走路的结果：最终你宁愿自己走。
对于那些失去部分或全部腿部控制能力的人来说，机器人外骨骼是工程奇迹。在康复诊所和用户家中，它们让因脊髓损伤或中风而失去行动能力的患者走出轮椅，再次站立起来进行短时间活动。这种重新获得的运动能力具有身体上的好处，例如更好的血液循环和更低的感染风险。
然而，尽管市面上的医用外骨骼有诸多优点，但它们也存在一些明显的局限性。例如，大多数型号需要患者使用拐杖，并且只允许有限的运动范围。工程师们预计，随着更多传感器和更复杂的控制算法的出现，灵活性和平衡性等基本功能将会得到改善。不过，最大的进步可能来自于更好地利用患者自身的能力。
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几个研究小组目前正在研究下一代外骨骼，这种外骨骼通过电刺激患者的肌肉来部分驱动机器人支架。在更远的将来，解码大脑活动的新设备，即脑机接口（BMI），可以让患者用意念控制他们的机械腿。未来的外骨骼可能不仅仅是移动一双肢体。通过与神经系统建立对话，它可以成为使用者不可或缺的一部分。
生物电
在20世纪60年代，医生开始与工程师合作，为机械支架配备可穿戴电极，称为功能性电刺激（FES）系统，以辅助行走。这些装置中的第一个，称为混合动力装置，通过小腿向腓总神经发送轻微的电击，腓总神经使脚踝弯曲，防止患者拖动脚趾，这是中风和多发性硬化症的常见症状。到20世纪80年代，脊髓损伤的志愿者正在测试混合动力腿部矫形器。这些专门的支架使用连接到战略性放置的电极的手指开关来收缩股四头肌和腘绳肌，从而促进步态。
然而，这些早期的混合动力装置有一个很大的缺点。脊髓损伤后，肌肉会萎缩和无力。慢肌纤维（能够进行诸如行走等持续运动）会转变成快肌纤维（提供瞬间力量但很快就会疲劳）。患者无法长时间驱动这种装置，肌肉很快就需要休息。“重力总是获胜，”美国退伍军人事务部先进平台技术中心执行主任罗纳德·特里奥洛说。
机器人外骨骼可以提供解决方案。特里奥洛和其他研究人员现在正在将FES融入外骨骼，希望它们能够与患者的肌肉协调，共同承担部分负担。例如，特里奥洛的团队正在开发一种原型混合动力装置，该装置需要在体内植入电极，以便通过接触控制髋屈肌等深层神经来更精确地激活单个肌肉。科学家们发现，收缩这些肌肉可以将膝盖抬高到足以让患者爬楼梯的程度，但他们爬不了几级台阶就会感到疲倦。在机器人的额外推动下，他们可以登上整个楼梯。
这种混合动力设计的骨骼具有独特的优势。与传统外骨骼相比，这些新设备需要用户的身体做更多的工作。“如果你用肌肉代替电机进行一些运动，你就可以使用更小的电机，并有可能拥有更小、更轻的装置，”特里奥洛说，这将使外骨骼更容易运输并延长其电池寿命。
锻炼是另一个好处。让退化的肌肉重新工作可以增强力量和肌张力，并提高新陈代谢，从而改善整体健康状况。许多专家认为，混合动力外骨骼可以帮助再生因损伤或中风而受损或削弱的神经连接。“为了让神经系统恢复，你需要神经元放电，”范德比尔特大学工程学教授迈克尔·戈尔德法布说，他的实验室开发了外骨骼Indego背后的技术，美国制造业巨头派克汉尼汾计划在今年晚些时候发布该产品。该公司还在开发具有FES功能的型号，并预计在2016年在诊所测试这些混合动力装置。
对于一些截瘫患者来说，再多的刺激也无法让肌肉再次泵动。但对于数千名可能受益的轮椅使用者来说，混合动力外骨骼可以提供一种更安全的方式来学习更独立地行走。戈尔德法布设想这些机器像教练指导体操运动员一样教授运动。“随着肌肉做得越来越多，机器人做得越来越少，”他说。他预测，一些中风患者甚至可以恢复到“将设备还回去”的程度。
意念控制
下一个前沿领域是大脑。由于今天的外骨骼是通过手动控制或身体姿势进行物理操作的，因此它们需要高度集中的注意力。例如，用户无法一边喝咖啡，一边牵着爱人的手在街上漫步。脑机接口可以解放双手，进行多任务处理，同时允许更灵活的运动。
在1969年对猴子进行的一项开创性实验中，华盛顿大学的生理学家埃伯哈德·费茨表明，可以使用大脑中的电信号来控制身体外部的东西。通过在猴子的运动皮层（控制随意运动的大脑区域）植入电极，费茨能够记录单个神经元的活动。当这些细胞以一定的速率随机放电时，监视器会发出哔哔声，而绑在椅子上的动物会得到奖励。在短短几分钟内，猴子学会了调整它们的大脑活动，以便在它们高兴时发出监视器声音，基本上是用它们的意念单独产生声音和零食。
自那以后，研究人员使用植入物在啮齿动物、猴子和人类身上构建了更复杂的脑机接口，以操作屏幕上的光标或机械臂。在2012年的一项研究中，由布朗大学的利·R·霍赫伯格领导的科学家教会了两名四肢瘫痪的个体仅用他们的想法就能用机械臂够取和抓住物体。在每位患者的运动皮层中，一个婴儿阿司匹林大小的96电极阵列记录了数百个神经元的喋喋不休。研究人员随后使用一种称为解码器的数学模型将这些信号转换为机器命令，例如力、速度和位置——与脊髓将大脑的输出转化为肌肉收缩的方式非常相似。
然而，这种脑机接口方案存在问题。尽管植入式阵列可以最精细地描述一个人的精神状态，但它可能会导致感染，并且很少能持续超过几年。这是因为大脑会将该设备当作外来入侵者来攻击，用蛋白质包裹它，从而抑制神经信号。
这些缺点导致一些研究人员研究使用脑电图（EEG）系统的脑机接口，该系统通过头皮上的电极网络记录整个大脑的节律活动。直到最近，科学家们还认为脑电图信号太弱且噪声太大，无法用于控制外骨骼。但2010年的一系列研究表明，事实上，基于脑电图的脑机接口可能能够以惊人的准确性破译预期的手和腿部运动。“我们仍在弄清楚脑电图的局限性，”休斯顿大学的神经工程师何塞·L·孔特雷拉斯-维达尔说，他领导了这些研究。他目前正在测试一种名为NeuroRex的早期原型，这是一种配备脑电图的外骨骼，可以让患者仅通过思考行走来启动步态。
在杜克大学，米格尔·A·L·尼科莱利斯开展了一项名为“再次行走”的类似项目。该项目在2014年成为头条新闻，当时一名29岁的截瘫患者使用意念控制的外骨骼在巴西世界杯上开球。尼科莱利斯说，从那时起，八名脊髓损伤患者在他的实验室里每周练习使用机器人两到三天，持续了一年多。他报告说，他们已经非常擅长控制它。值得注意的是，他们还恢复了一些触觉，并且在一些情况下，能够进行小的腿部运动。“这是一个很大的惊喜，”他说。“看来我们正处于一个门槛，我们不仅能够恢复运动能力，而且还能够诱导神经系统恢复。”
目前，意念控制的外骨骼距离普遍使用可能还需要几十年。工程师们必须首先证明他们可以使植入物安全耐用，或者使用来自头皮的脑电图信号来指导更多样的技能，例如转弯和爬楼梯。他们还必须确保现实世界中的干扰，例如说话或吃饭，不会干扰解码器解释用户意图的能力。
脑机接口最终有可能改变外骨骼服务用户的方式。通过利用患者自然的运动和控制系统，混合动力和意念导向的辅助设备可以变得与用户的大脑和身体更加紧密地结合在一起。正如特里奥洛所说，“与生物学合作而不是为生物学服务是未来的发展方向。”