万斯·伯杰龙曾经是一位业余自行车手，每年骑行 7000 公里，其中大部分是在阿尔卑斯山的陡峭山坡上。但在 2013 年 2 月，这位 50 岁的化学工程师在法国里昂高等师范学院骑自行车上班时，被一辆汽车撞倒。撞击使他飞到空中，头部着地，颈部骨折。当他醒来时，他得知自己将永远无法自行移动双腿，并且手臂的活动能力也受到限制。
在床上躺了几个月，身体尽力恢复时，伯杰龙开始寻找重返自行车运动的方法。他开始研究神经科学，重点是研究机器人假肢，这种假肢可以将像他这样的人变成“半机械人”：人类和机器的结合体。他了解到，其中一些假肢使用一种称为功能性电刺激 (FES) 的技术，将电信号传递到萎缩的肢体或缺失肢体的残肢上，从而引起肌肉收缩并恢复部分功能。
伯杰龙一恢复到可以使用轮椅的程度，他就将这个想法带回了实验室，在那里他将研究重点转向神经科学。他以自己为小白鼠，和他的团队一起研究如何刺激他腿部的神经，使他的肌肉能够弯曲并踩动自行车。“我已经成为我自己的研究项目，这是一个双赢的局面，”他说。
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即使进行有规律的锻炼以增强肌肉，伯杰龙的人工刺激腿最多也只能产生 20 瓦的功率，仅为普通自行车手产生的 150-200 瓦功率的十分之一。但他和他的团队正在将 FES 控制器和电极安装到碳纤维躺卧三轮车上，他希望这辆车能帮助他做得更好——并且或许能在 10 月 8 日赢得一枚奖牌，届时他将带着他的机器前往瑞士苏黎世，参加义肢奥运会：首届半机械人奥运会，与其他 FES 自行车手比赛。
机器学习
在世界各地，近 80 个研究小组在 25 个国家/地区为这项 500 万欧元（550 万美元）的赛事磨练他们的技术。他们的规模从小型的临时团队到世界上最大的先进假肢制造商不等，其中包括约 300 名科学家、工程师、支持人员和参赛者：残疾人士，他们每个人都将参加六个赛事中的一个，这些赛事将挑战他们应对日常生活琐事的能力。假肢手臂使用者竞赛将由第一个完成包括准备膳食和在晾衣绳上晾晒衣服等任务的半机械人赢得。电动轮椅竞赛将测试参与者应对日常障碍物（如颠簸和楼梯）的能力。
场地——苏黎世可容纳 7600 名观众的冰球体育场——应与电视摄像机和团队队服相结合，使义肢奥运会具有类似于残奥会的体育氛围，在残奥会中，残疾运动员使用轮椅、跑步刀片和其他辅助技术进行比赛。不同之处在于，残奥会专门赞扬人类的表现：运动员必须使用仅靠肌肉力量驱动的市售设备。但义肢奥运会则赞扬技术和创新。它的冠军将使用动力假肢，通常是直接从实验室里拿出来的，他们被称为“驾驶员”而不是“运动员”。希望在比赛中试用的设备将加速技术发展，并最终为世界各地的人们所使用。
苏黎世瑞士联邦理工学院的生物医学工程师、义肢奥运会的创始人罗伯特·里纳说，义肢奥运会中测试的日常任务比看起来要困难得多。“我认为人们被互联网和好莱坞电影宠坏了，”他说。“我们想向人们展示仍然存在挑战。”
里纳将义肢奥运会的起源追溯到关于一项慈善活动的新闻报道：在 2012 年 11 月，一位名叫扎克·沃特的男子，他在一次摩托车事故中失去了一条腿，他使用一种实验性的电动假肢腿在短短 45 分钟内爬上了伊利诺伊州芝加哥市威利斯大厦的 103 层楼。
这一壮举给媒体和里纳留下了深刻印象。但也让他感到沮丧：沃特的设备，以及来自里纳实验室和世界各地其他实验室的类似令人印象深刻的假肢，并没有到达需要它们的人手中。“我们正在做伟大的工作，但没有很好地推销它，”他想。那么，为什么不从威利斯大厦的特技表演中汲取灵感，并通过向假肢研究界的所有人开放的比赛来吸引人们对这项技术的关注呢？
里纳的 30 人实验室团队对设计这样一个活动感到兴奋。不久之后，消息就传到了世界各地的同事那里。
起初，里纳曾考虑举办一些炫目的活动，例如用假肢攀登一座山。但在 2013 年，在与一位因癌症失去手臂并佩戴假肢的熟人交谈后，他改变了主意。该设备末端是一个钩子，当这个人弯曲残肢中的某些肌肉时，钩子会被电缆移动。它在大幅度运动时效果很好，但在精细控制方面却无能为力。这位男士告诉里纳，有一次，他正在买电影票，他能感觉到排在他后面的人们盯着他，越来越不耐烦，因为他费力地掏出钱包并抓住纸片。
里纳意识到，这些平凡的挑战比设计例如一个简单地帮助某人跑得快的弹簧腿的需求更大、更有意义。因此，他决定，大多数义肢奥运会比赛将明显是非奥运会的。
脑力
最奇怪的无疑将是脑机接口 (BCI)竞赛，该竞赛将有 15 名驾驶员静坐 4 分钟，而竞技场中的大屏幕将显示他们头部中发生的事情。每个人都将尝试使用特定的大脑活动模式，通过电极帽将其转化为三个命令：加速、跳过尖刺或在激光束下滚动，从而引导屏幕上的角色通过障碍训练场。
原则上，这些模式可以是任何东西。例如，在英国科尔切斯特的埃塞克斯大学，由博士后安娜·马特兰-费尔南德斯领导的一个由现任和前任学生组成的团队设计了一种算法，该算法将三种运动与驾驶员想到自己的手或脚，或者完成一个数学方程式联系起来。
电信号很微弱，而且每个人都不同，因此可能难以区分命令——尤其是在驾驶员分心时，例如在比赛中被欢呼声和肾上腺素分散注意力时。瑞士洛桑联邦理工学院的神经科学家何塞·德尔·R·米兰说，不断思考任务在精神上是令人疲惫的，他的团队正在研究预测思维模式的方法，以使这种联系更自然，让驾驶员放松。
BCI 可能永远不会用于真正的跳跃和跑步，因为检测肌肉中的电活动要容易得多。但是，如果能够制造出足够便宜和准确的此类设备，它们可以帮助残疾人士引导轮椅、光标，甚至支持 Skype 的机器人，这将使他们能够虚拟地参与活动。“你可以在实验室里开发出这种技术，并将其带出来并看到它有效，这意味着它是有未来的，”马特兰-费尔南德斯说。
其他义肢奥运会赛事将突出在更传统的设备方面取得的巨大进步。在假肢腿竞赛中，参赛者必须通过诸如楼梯、随意放置的石头、倾斜的人行道和门等障碍物——更不用说坐在椅子上并再次站起来了。一些参与者将使用最先进的智能膝盖和脚踝，它们可以检测步行时的力和加速度，并在他们开始跌倒时纠正他们的运动。
但即使是最先进的工程技术，与完整身体自然而然地做的事情相比也相形见绌。当一个人用血肉之躯的手臂拿起一支笔时，他们的大脑和周围神经系统会协调伸出多远，如何将每根手指的每个关节弯曲成精确的形状，以及抓握的力度——所有这些都不需要有意识的努力。标准的活动假肢，例如带有钩子和电缆的类型，需要使用者有意识地完成所有这些操作。这需要付出巨大的努力，这也是许多截肢者选择不佩戴它们的原因之一。
为了解决这个问题，研究人员必须创建计算机算法，解码来自肌肉和神经的信号并预测佩戴者想要做什么。在加拿大本拿比，一个名为 MASS Impact 的义肢奥运会团队正在与驾驶员丹尼·莱坦合作，丹尼·莱坦是一位前加拿大残奥会滑雪运动员，他在 1980 年的一次铁路事故中失去了左臂。该团队制造了一条手臂，手臂上有一个平面按钮面板，该面板位于莱坦的残肢上。
莱坦利用他对手的记忆，想象做出 11 种手势中的一种，例如指向。他残肢中的肌肉然后压缩按钮，并告诉他的人工手做他想做的事情。莱坦很高兴地发现，曾经控制他手指的大脑回路仍然在正常工作，即使在他停止感受到失去的手臂的任何“幻肢痛”之后很久。“我正在使用我 35 年没用过的东西，”他说。
有些手臂甚至更先进。由瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的生物医学工程师马克斯·奥尔蒂斯·卡塔兰领导的团队开发了一种可以感觉和移动的双向假肢手（M. Ortiz-Catalanet al. Sci. Transl. Med. 6, 257re6; 2014）。手臂永久植入佩戴者的骨骼中，最多使用九个电极将运动命令从剩余的肌肉传递到假肢，并将来自手指中传感器的信号发送回手臂的感觉神经。义肢奥运会驾驶员马格努斯·尼斯卡是世界上唯一一个在实验室外佩戴这种假肢的人。奥尔蒂斯·卡塔兰希望能够感觉到物体将为尼斯卡带来竞争优势。
由俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学的生物医学工程师罗纳德·特里奥洛领导的团队对 FES 自行车赛事采用了类似的策略，脊髓损伤的参赛者将在圆形跑道上骑行 750 米。包括伯杰龙在内的许多参赛者使用皮肤上的电极来刺激腿部肌肉。但克利夫兰系统——最初旨在让下肢瘫痪的人在拐杖的帮助下行走——的特点是将电极手术植入腿部肌肉中。佩戴者使用外部设备选择菜单选项，例如“坐下”。植入式脉冲发生器激活电极，使肌肉以正确的顺序收缩。
在特里奥洛听说义肢奥运会后，他意识到他可以将自行车运动添加到他的志愿者的锻炼计划中。他的团队为一辆躺卧三轮车配备了传感器，这些传感器可以检测骑车者踩踏板时腿部的角度，并自动改变刺激模式，以便一条腿推动，另一条腿拉动。
特里奥洛说，所有 27 名植入了他的电极的人都想尝试骑自行车。在让他们通过资格赛后，他缩小了参加义肢奥运会的决赛选手范围。“我们想去瑞士并赢得这场比赛，”他说。“然后我想以此为跳板，在这里建立一个锻炼计划。”
关注奖项
这种竞争精神与特里奥洛对义肢奥运会的最初反应截然不同，他最初认为这项比赛是一个愚蠢的想法。“我们应该找到一种方法在国际上合作解决这些问题，而不是竞争，”他回忆说——他和里纳说，他们仍然从假肢领域的某些人那里听到这种说法。
特里奥洛最终改变了主意：他认为义肢奥运会至少会是一次良好的学习经历。里纳本人希望，将比赛公开化将比传统的学术流程更能激发创造力，传统的学术流程受到研究人员对其知识产权和竞争拨款的担忧的阻碍。
马萨诸塞州波士顿哈佛商学院研究创新的经济学家卡里姆·拉卡尼指出，比赛还迫使研究人员快速完成他们的工作，并消除关于可行性的疑虑，这些疑虑阻止他们一开始就启动项目。他指出了自动驾驶汽车，它在发展了几十年后一直处于停滞状态，直到 2005 年美国国防高级研究计划局举办了一场奖金为 200 万美元的比赛。这场比赛最终引起了谷歌的兴趣，谷歌现在正在道路上测试这种汽车。“这场比赛将起到同样的作用，”拉卡尼说。义肢奥运会不会颁发奖金，只颁发奖牌。但他的研究表明，获胜者获得的认可可能具有同样的激励作用（K. J. Boudreauet al. RAND J. Econ. 47, 140–165; 2016）。
拉卡尼说，奖项的最大优势或许在于，它们为不知名的参赛者提供了与大型知名企业同台竞技的机会。义肢奥运会吸引了大量这两类参与者。总部位于德国杜德尔施塔特、市值数十亿欧元的公司、世界上最大的假肢制造商奥托博克医疗保健公司参加了三项义肢奥运会赛事。其中一项是动力外骨骼竞赛，脊髓损伤的参赛者将使用外部支撑系统来应对与动力腿竞赛中类似的障碍物。奥托博克的驾驶员露西娅·库尔斯因脊髓肿瘤失去了腿的活动能力。现在她 60 多岁了，她可以使用该公司商用的腿部支架行走 12 公里，该支架具有传感器、电子设备和电机，可引导膝盖和脚踝完成正常的腿部摆动。
奥托博克的产品经理克里斯托夫·屈斯佩特说，“我们正在义肢奥运会上展示自己，并考察其他制造商”。但他表示，该公司也有兴趣了解来自大学中默默无闻的开发者的创新原型。
规模较小的开发者之一是赫苏斯·塔梅兹-杜克，他是墨西哥蒙特雷的初创公司 INDI 工程与设计公司的总经理，他正在参加一个外骨骼原型机的比赛，该原型机比奥托博克 75,000 美元的型号便宜得多。该设备的关节由雨刮器电机驱动，大部分主体是 3D 打印的。INDI 的参赛者使用连接到他的拐杖上的操纵杆从几种编程好的动作中进行选择，例如爬楼梯或坐下。
塔梅兹-杜克希望义肢奥运会能够吸引合作者，并证明墨西哥可以成为该领域的参与者。“我们认为，义肢奥运会是一场汇集了世界顶级机器人实验室的比赛，”他说。“我们仍在努力获得这种代表性，以便其他人相信我们实际上可以为他们增加价值。”
义肢奥运会将于 2020 年重返东京，届时将举办为期七天的活动，与奥运会同期举行。它将为视力障碍的参赛者举办新的赛事，并将在体育场外进行一些比赛。但对于首届义肢奥运会的参赛者来说，站在技术的最前沿已经是一种激动。“这是钢铁侠，这是阿凡达，”伯杰龙说。“这是 BCI 和外骨骼的结合，遍布各处。”
本文经许可转载，并于 2016 年 8 月 3 日首次发表。