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(1‘26“ 视频展示:用智能假手写书法)
中国有8500万残疾人,其中2400余万人肢体残疾。一群来自中美名校的高材生组成的团队,从3年前就开始关注怎样让中国肢体残疾的残疾人用上廉价、舒适、功能强大的智能假手。
经过3年努力,他们的技术成果开始转化为商品:BrainRobotics智能灵巧肌电假手预计在2019年年底上市,这是“世界上第一款8电极商用假手”,它在参数和性能上与Bebionic和i-Limb等主流智能假手不相上下,肢体残疾的用户使用它能够精准控制假手每根手指,实现“大脑想什么动作,假手就执行什么动作”。
钛媒体影像《在线》第92期,我们将在上篇介绍肌电假手技术和BrainRobotics,在下篇讲述一名双手手掌缺失的健身教练,如何在见证一项技术落地的同时,完成自己人生的“进化”。
①BrainRobotics进化论
黄琦今年30岁,2018年从哈工大机器人所“机器人技术与系统国家重点实验室”博士毕业。
BrainRobotics总部位于波士顿,团队由来自哈佛、波士顿大学、阿拉巴马大学、哈工大等高校十余位脑科学、机械工程、物理、人机交互等专业的博士、硕士组成。
从硕士到博士,黄琦一直在研究智能假手:他的硕士课题是“仿生假手的肌电控制与感觉反馈”,博士课题是“基于自适应学习的仿生假手双向交互控制”。
硕士阶段开始接触智能假手时,他感到的是“有趣”:手臂套上电极就能控制假肢。2012年2月,通过与残疾患者第一次接触,黄琦改变了对智能假肢行业的看法:不仅仅是“有趣”,更多的是“有意义”。
“我拿着实验室的假手去黑龙江康复辅具中心找患者做测试。”黄琦接触到的第一位残疾患者是一位50多岁的男士,他因工伤失去四肢。“我给他戴好假手,引导他回忆肌肉运动,采集了他的肌肉信号,很快他就能抓起桌上的杯子喝水,当时他特别激动。”之后,黄琦又陆陆续续接触过20多位肢体缺失的残疾人,他更加坚定了要从事智能假肢研究的决心。
博士毕业前夕,黄琦面临着去研究所和企业两个选择。2018年2月,哈佛大学脑科学中心博士、BrainCo & BrainRobotics创始人韩璧丞到哈尔滨参加亚布力年会,他专程到哈工大拜访黄琦,两人交换了对智能假肢的理解和对行业的看法。韩璧丞告诉黄琦,他创立BrainRobotics的初衷是为了让更多残疾人用到廉价好用的肌电假手,黄琦被打动,决定加入BrainRobotics团队。
“一件事情有意义、有需求,就必然有商业前景。”黄琦对钛媒体《在线》表示,跟韩璧丞一样,他也想让技术落地惠及更多残疾人,改变更多他们的生活状况。
智能假手不仅能为残疾人重建运动功能,辅助残疾人的的生活,还能通过重建感知反馈,让残疾人体会到肢体“重新生长”的本体感,带给他们带去心理上的安慰。
智能假手控制方式分为“视觉、脑电、肌电”三种,其中“基于肌电”的控制方式由于“可控性强、实现难度较低、操作方式更符合自然习惯”成为行业主流。
肌电假手是通过采集、处理人体肌肉运动产生的表面肌电信号来实现假手的动作控制。任何一个人,只要把外置电极贴在肢体肌肉上,将肌肉信号录入后台系统,都可以控制假肢做出动作。
首次试量产目标是20个,这个看起来称不上“量产”的数字背后,他们走了3年。
BrainRobotics肌电假手原型机诞生于哈佛大学创新实验室,围绕它的科研攻关则起始于2016年。从2016年到2019年2月,朝着可以量产的方向,它经历了4次版本迭代;第四版从原型机到试量产,短短两个多月又经历了不下两千次大大小小的Bug修复、零部件和细节调整。
在黄琦看来,这不下两千次修改是最有价值的东西,是任何一只假手要量产的必经之路,“就算别人拿到我们的手,也没办法抄袭,好比一架飞机,你可以买回来拆开研究,但是你想做一个,就很难了”。
“国内外很多实验室都在研究智能假肢,在某些技术上达到了相当水平,但只停留在原型机上。”黄琦对钛媒体《在线》介绍,如“感觉反馈”这项技术,MIT研发的触觉传感器手套可以附着在假手外,通过触摸识别物体,“类似这样的技术,很多都还没办法量产做成产品。”
在科研领域,研发原型机是为了实现某些功能,研发中不需要考虑可靠性、成本和工艺难度,量产则要考虑方方面面的因素,并在不同需求之间找平衡,必要时还不得不牺牲原型机具备的某些尖端功能。
黄琦透露,试量产只是一个开端,他们计划7月份再次扩大量产。
BrainRobotics假手由200多个、70多种零件组成,除了螺钉一类标准件,其他部件都要定制。
作为医疗辅具,假手产品还要符合《电动上肢假肢部件国家标准》中关于假手结构、外观、可靠性等方面的要求。可靠性上,《标准》要求电动上肢假肢的电池一次性充足电量后,连续开机12小时内,能连续开闭手指或者连续旋转腕关节或者连续屈肘1000次,并能保持正常工作;电动上肢假肢的部件能在-10℃~40℃、湿度为0~85%的环境下正常使用。
BrainRobotics手掌具备了类似人手的仿生弧度,腕狭小的空间集成了位置、力量、姿态、加速度四类16个传感器,这些传感器能够模拟人手的感知能力,使假手不仅具有操作能力,还具有感知能力。
这款假手重量小于500克,最大握力60牛(可换算为6斤),采用连杆驱动。
目前世界上最主流的两大多指灵巧肌电假手,德国奥托博克(Otto Bock)旗下的Bebionic,质量在495~539克,最大握力为75牛;英国触摸仿生公司(Touch Bionics) 旗下的i-Limb,质量在450~615克,最大握力在136牛。奥托博克成立于1919年,英国触摸仿生公司成立于2005年,并在2016年被知名假肢巨头奥索(Össur)收购。
同样是连杆驱动,在重量和力量的平衡上,BrainRobotics已经跟这些上市多年的肌电假手不相上下。
在自由度和动作数量上,黄琦介绍,BrainRobotics具备6个自由度,可以实现23个动作,并提起8公斤重量。
自由度可以理解为手的运动,一个手指的弯和伸就是一个自由度,自由度越多,说明假手越灵活,一只正常的人手具有26个自由度。BrainRobotics在一个自由度的单行程运动速度为0.8秒,肌电信号与假肢动作之间的延时为300毫秒。
上述23个动作中包含了康复医学日常生活能力(ADL)评估中最常用的7个手势,分别为“圆柱握、圆球握、食指伸、侧边捏、两指捏、三指捏、虎克提”,它们占到了日常手势的86%。
Bebionic和i-Limb也各有千秋:Bebionic5个自由度,可实现14个动作模式;i-Limb有6个自由度并自带10几个手势,用户还可以通过i-Limb App自定义手势。
BrainRobotics将在价格上占据更大优势。“拿Bebionic来说,他们的假手在中国大陆的销售价格在30万到60万人民币之间,同样是每个手指都能单独控制运动的灵巧假手,我们的价格会比他们低很多。”黄琦对钛媒体《在线》介绍。
接受腔是连接残肢和假手手掌必不可少的部件,对科技公司来说,接受腔是一个传统且陌生的领域,这个领域更感性,技师的水平和经验至关重要。
接受腔分为内腔和外腔:内腔直接穿戴在残肢上,内腔壁集成了用于读取肌电信号的电极;外腔套在内腔上,里面集成了电池、开关等零部件。
人的身体是有弹性的,受力后会变形,所以残肢皮肤能否跟电极很好地贴合以及如何贴合,是影响假肢使用舒适度和肌电信号读取准确率的重要因素。
有人尝试用3D打印来“颠覆”这古老的行业。“先3D扫描残肢,得到初始形状,再用生物力学判断不同部位的软硬厚薄,然后结构工程师开始手动修改模型。”黄琦对钛媒体《在线》介绍,这样打印一个接受腔往往动辄要花费一个月,结构工程师的人力成本比传统接受腔技师更高,“只有当扫描和修改模型的工艺自动化了,3D打印才具备可行性。”
英国有一家叫做Open Bionic的3D打印假肢公司,专门制作超级英雄主题假肢,颜色和外观设计均可定制,能够在大约 40 小时内完成 3D 打印并交付,起售价3000美元。
Open Bionic的接受腔和手掌都来自3D打印,但打印之前并没有3D扫描建模这一项,也没有石膏取模,它也就没考虑个性化适配,而为了控制价格采用成本较为低廉的打印材料和传动方案,Open Bionic牺牲了很多力学性能。
目前已量产的主流肌电假手都只配备2个电极,即为两通道,一般贴在接受腔内一对屈肌和伸肌的位置来识别患者的动作意图。两通道假手能识别出4种动作:放松(Relax)、屈(Flex)、伸(Extension)、同时(Co Contraction)。
在两个电极的条件下,假手读取的肌电信息有限,想要实现更多动作,就要把动作进行分组,在不同组别之间来回切换。以Be-bionic为例,它可以实现14种抓握模式,这些模式被分为若干组,如果想要实现不在同一组的动作,用户可以通过假手上的按钮切换组别,或者通过相应肌肉动作来切换组别。
“也就是说,假手做出的动作,可能不是他所想象的动作,并不是残肢在做什么,假手就跟着做什么。”黄琦对钛媒体《在线》解释,在动作和患者肌肉意图之间没有对应关系时,患者也许很难把假手当作自己手的一部分,“更多是在当作机器来使用。”
“我们是世界上第一个做8电极的商用肌电假肢。”黄琦介绍,八电极比两电极获取的肌电信息更多也更精细,用户可以直接控制每一根手指,实现“大脑想什么动作,假手就执行什么动作”,而不需要像两电极假手一样,在肌电信号丰富度不够的情况下通过切换组别去实现更多动作。
为什么是8个电极,而不是9个或者7个? 2011年,加拿大肌电领域权威学者Erik Scheme在一篇论文中提到经过统计绘出的“识别手指动作时电极数量和识别效果之间的曲线”,得出“8个电极效果较好”的结论。Erik Scheme的这一结论也成为肌电假肢领域最重要的技术参考之一,在哈工大机器人研究所读博时,黄琦所在室验室研制的就是8电极假手。
相比2个电极的主流选择,8电极直接提高了接受腔的制作成本,对算法的复杂度、泛化能力和算力也提出更高要求,“需要比2电极假手性能更高的芯片。”
最核心的是算法。BrainRobotics波士顿的算法工程师花了两年时间才写出了“世界上第一个集成到嵌入式系统内的深度学习肌电信号识别算法”。黄琦对钛媒体《在线》介绍,这套算法有“非常高的鲁棒性”,可以识别出残疾人患者每根手指的动作,且“新用户录入肌电信号训练完成1次后,就不需要再训练”。
倪敏成今年39岁,10岁时被村民炸野猪的炸药误伤失去双手。他是一名退役运动员和专业健身教练,在浙江金华开了一家健身俱乐部,有着良好的身体素质。
2017年7月,倪敏成第一次试用BrainRobotics的原型机,凭借着对肌肉的记忆,刚上手没多久他就能灵活操控假手。“当时觉得特别神奇,我怎么想它就怎么动,手就像从我身上长出来的。”倪敏成对钛媒体《在线》回忆,失去双手20多年,那是他第一次感到“双手忽然又回来了。”
要提高肌电信号采集的精确度,除了核心算法的鲁棒性,还要保证接受腔内电极和皮肤的贴合性好,同时电极本身也要有良好的电化学稳定性,不易被腐蚀。
“我们会一直改进,直到找到一个最佳方案。”黄琦表示,市面上还没有一款同时兼顾舒适性、功能性和廉价性的肌电假手产品,这个兼顾,是他们想要达到的效果。
据民政部数据,我国有8500万残疾人,肢体残疾人约有2400余万人。“装假肢的患者,要么是工伤赔付、要么是保险或车祸肇事方赔付,还有一部分是自费。”上海精博假肢临床中心主任沈杰伟对钛媒体《在线》介绍,一般人很难买得起动辄几十万的多自由度肌电假肢,这一领域,医保也尚未覆盖。
假手一次次引发参观者的围观,黄琦的工作要回答每个人提出的问题,还要演示如何通过肌电操控假手,并为一些想要亲自体验的观众提供协助。黄琦把这份有点“无聊”的工作当作锻炼,“可以锻炼自己更好地解释东西,更好地讲故事”。
Brainrobotics假手曾在2019 CES上引起不小轰动,还在央视、湖南卫视等媒体的科技类综艺节目频频亮相,今年7月13~14日,它还将出现在钛媒体T-EDGE科技生活节的现场。
②残运会退役运动员的“进化论”
小时候,倪敏常常成跟爷爷学写毛笔字。“爷爷每年春节给村里乡亲写对联,我就在一边看着学。”倪敏成对钛媒体《在线》说,失去双手后,他只在中学短暂练过一段时间,就再也没拿起过毛笔。
2017年,当Brainrobotics创始人韩璧丞带着假手找到他,问他如果有一只手的话最想做什么,“写毛笔字”四个字从他嘴里脱口而出。
倪敏成从小喜欢运动,在职高就读时,由于出色的运动天赋,他被选拔进入了浙江省残疾人运动队,并在一度夺得全国残运会400米冠军。
2007年,由于年龄原因,27岁的倪敏离开了田径运动场。退役后他打过工,不过到2008年年初他又回到体育竞技场,加入了浙江省首支残疾人自行车队。经过两年训练,他在2010年的全国自行车锦标赛上斩获了场地团体竞速第一名的奖牌。
2011年8月,从车队退役的倪敏成接手了一个捷安特自行车专卖店,开始创业。离开了赛场,但他不想离开运动场,怀着对运动的热爱,倪敏成的自行车店一直开到2016年。
“2016年我去逛自行车展,发现市场冷了,就转手没做了。”倪敏成对钛媒体《在线》回忆,紧接着他萌生了学当健身教练、开健身房的想法,为了这个目标,他每天做三千个引体向上、一万个卷腹,自己练了不到一年,他觉得身体状态到了一定水平,就到了北京的健身教练学院学习当教练,2017年他又找到国家健美健身队学习,“学了一期,把每块肌肉都练了”。
那两年,除了学健身,倪敏成还认真学起了演讲。2018年,倪敏成在金华开了自己的健身工作室,过起了“教课、健身、看书”的日子。2019年6月,他把几十平的健身工作室变成了几百平的健身房。
从10岁失去双手,他不得不开始面对旁人异样的眼光和议论,这给了他巨大压力,让他厌恶读书、厌恶除了运动之外的所有环境,他不敢去人多热闹的地方,不敢在夏天穿短袖。
“从小到大那么多年,每天遇到的人,他们中很多人给我的那种负面暗示和冲击都压抑在我心里,让我变得很极端。”倪敏成对钛媒体《在线》说,创业开自行车店时,他因为“脾气古怪”常常留不住顾客,最后发展到跟店员的沟通都出现问题。
倪敏成的转变发生在2016年,他开始思考和阅读,也开始发现自己身上的问题。倪敏成觉察到,每个人对他的态度,投射出的实际是那个人自己的内心。
“比如遇到一些底层的人,他们对我说得最多就是‘好可惜、好可怜、没有手怎么生活’这样的话,如果在以前我会被他们说得心情越来越差,会真的觉得自己很可怜。”后来,倪敏成找到了“原因”,“那是因为他们对自己的生活束手无策,所以看我这样就认为我是弱者,很可怜。”
倪敏成说,生活中他还会遇到一些事业有成和受过良好教育的人,那些人更善于看到他身上优秀和积极的一面,给予他更多的是赞美:你很棒、你做了那么多好玩又了不起的事情。
“我是一面镜子,投射出我遇到的每个阶层的人。”倪敏成对钛媒体《在线》说,现在,异样的眼光偶然也会对他造成困扰,遇到一些在自己面前一直讲“你好可惜好可怜”这种话的人,他会郑重其事告诉对方自己是做什么的,自己的生活过得很好,“我会跟他们说,我实际上比你过得好很多。”
与Brainrobotics的合作,倪敏成“收获很多”,他收获最大的是在美国波士顿的3个月时间,在他看来,那段时间,他第一次体会到当一个“普通人”的感受。
“在国内总有人来问来关心一下我的生活,比如问我有没有需要照顾的、生活上有没有难处,但是在美国,完全没有人讲这个,更没有人问我身体的问题。”
那短暂的3个月体验,倪敏成每天跑步在住处、健身房、办公室之间来回,他发现不论是街头还是健身房,每个人都把他当一样的正常人看,“打招呼就只是打招呼,沟通很平等,没人用异样眼光盯着我看,也没有人认为我可怜要帮我。”
倪敏成说,看到住处附近随处可见的野生动物,他更体会到一个完全不同的社会环境里,人对生命的尊重,因为体会这份尊重,他才开始理解人和人之间沟通的尊重。
为什么中国的大街上看不到残疾人?倪敏成深有体会:一个残疾人出门要遇到的言语冲击是正常人无法体会的,“这就是中国残疾人的现状,他们不愿意出门,我想把自己的经历和想法告诉他们,让他们走出来,积极面对”。
这两年,倪敏成喜欢上了演讲,报名参加了演讲培训,还参加了不少读书会的分享。演讲对他健身房的知名度带来了影响,还给他个人“吸粉”不少。
听完他讲述自己的故事,观众和媒体都会给他贴上“励志哥”的标签。
“我向往活成一个普通人,融入社会环境中,成为大众中间的一员”,倪敏成对钛媒体《在线》说,他不喜欢被标签化,标签是一种把人区分开的东西,他也并不觉得自己励志,他认为自己只是做了自己想要做的事情,追求了一个普通人想要追求的东西。
倪敏成说,从前在外面,如果遇到想要搭手帮自己的人,比如自己手里拎的东西太多或者钥匙打不开门,他会很要强地拒绝,后来他的想法改变了,遇到路人要帮他,他就会“马上让人家帮忙”。
他觉得自己应该让别人有献爱心的机会,因为一个做了好事的人会特别开心,“对我来说,没人帮忙,事情我都能做,遇到想帮忙的人,我不会随便拒绝。
倪敏成是因为太喜欢健身才开的健身房:他觉得既让自己有地方练又能做生意赚钱,是一件两全其美的事情。他说自己的出发点里,并没有励志的色彩。
曾经有一名媒体记者在听闻倪敏成的故事后问他“你为什么这么坚强?”,这让倪敏成感到很无语。
“励志、坚强”这种标签将倪敏成跟普通人分开,“别人认为我励志,那是因为他们把残疾人和普通人分开看,其实普通人里比我厉害得多的有很多,因为我在残疾人这个群体,所以他们觉得我励志。”
倪敏成的下一个目标是在2019年年底做一场千人以上、2小时的演讲,他为演讲设计的主题是“希望”,里面包括情景剧在内的三个环节,他准备在演讲里呈现自己遇到的不同人群和自己的过往经历。
“我在努力发光,虽然光很微弱,但是我会努力带给更多人希望。”他对钛媒体《在线》说,演讲之前,他计划把身材再练得得震撼一点,还要讲满100场读书会,让自己学会更好的表达。
这只手是BrainRobotics团队赠送给倪敏成的,他带回了金华。
“有一次在央视录节目时,我对黄琦说,黄博士,很多残疾人将来会感谢你们做的这份事业。这句话是我发自内心说的。”对倪敏成的家人、亲戚和亲近的朋友来说,看到倪敏成戴着假手,他们的内心也会得到一些慰藉,“在他们眼里,我终于可以装上假肢了。”
倪敏成见证了BrainRobotics假肢的进化,他也在这个进化中慢慢变成自己想成为的“普通人”。
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