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辅助科技上身 生活品质更提升
与时俱进的辅具技术

【作者: 王岫晨】2020年03月06日 星期五

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为了维持伤残患者的生活品质,辅助科技是其不可或缺的重要设备。


加上照护人力严重短缺,降低照护者负担的解决方案面临迫切需求。


这些需求都使得辅助科技的市场日趋蓬勃。


对於慢性病或者有伤残的患者来说,为了维持其良好的生活品质,辅助科技将是其日常生活不可或缺的重要设备。另外由於全球照护人力正严重短缺,降低照护者负担的解决方案面临迫切需求。许多患者更希??能够自行透过自己本身的力量来进行复健,或者执行生活上的例行动作,而不假手他人。这些需求都使得辅助科技的市场日趋蓬勃。


外骨骼机器人

外骨骼机器人就是在这样的一种情境下,发展而出的辅助科技应用实例。事实上,外骨骼机器人设计的主要目的,一是让正常人变成超人,这样的范例经常可见於各种科幻电影中,人类穿上机械外骨骼或者钢铁衣,可以做到更多平常人所无法达成的事情。另一种目的则是让病患变成正常人,最常见的例如让许多四肢伤残的患者,能够靠着自己穿着外骨骼机器人而站立甚至行走,可以自理生活,进而提升生活品质。



图一 : 外骨骼机器人目的则是让病患能够靠着自己站立甚至行走,进而提升生活品质。
图一 : 外骨骼机器人目的则是让病患能够靠着自己站立甚至行走,进而提升生活品质。

外骨骼机器人分有固定式与行动式两种。固定式的外骨骼机器人通常适用於辅助伤残患者的步态训练等,除了可提供个人化的训练内容之外,近年来更发展出使用更便利、步态训练更精准的方案,例如透过数据来补偿行走的动作,让步态模式更自然。


行动式的外骨骼机器人则是除了可以辅助步态的训练之外,还可以达到辅助行走的目的。在过去,行动式外骨骼最大的诟病,就是在於设备笨重、使用不易,既使患者穿上了,行动也十分缓慢,因此大多还是停留在室内复健应用阶段。然而随着技术的持续精进,目前行动式机械外骨骼除了轻量化、操作更为简便之外,在功能面也导入了更高的智能化,让应用范围可以更为广泛。


一般来说,行动式外骨骼机器人多半都是辅助或协助行动不便的人来实现自行行走的目的,由於这些患者原本多半是无法靠着自己站立,更遑论能够步行。


靠自身力量站起来

在这样的条件下,行动式外骨骼机器人势必得要能「穿」到这些患者的身上才行,而且由於必须撑起患者全身重量,外骨骼机器人的整体架构也不能太过脆弱单薄,因此在过去早一代的外骨骼机器人,其外型多半笨重,患者仅是穿戴就得花费大半时间。至於行走中,也是藉由整个外骨骼机器骨架将全身撑起,行走速度其实非常缓慢,对於患者真正想自行外出执行生活所需的动作,事实上有点缓不济急,这也是过去行动式外骨骼机器人多半还是停留在以室内辅助行走为主要目的的主因。


当然,对於一个瘫痪无法行动的患者来说,行动式外骨骼机器人倒是真正能够让其靠着自己的力量站起来,对於患者来说,能靠自己站起来已经算是非常大的「一小步」了。行动式外骨骼机器人现阶段已经可以协助伤残患者站立。下一步的发展则是让穿戴更轻便、架构更轻量,且导入更高的智慧化功能,目标是进一步让患者可以走出户外,并协助患者步行的姿态可以更精确,更接近正常人的步态。


仿生义肢

义肢技术与时俱进,现今的义肢已经可以做到类似机械人的动作那样,靠患者自主意识来操作。这样的义肢就叫做仿生义肢。

对於伤残的患者,行动式外骨骼机器人可以辅助其训练与行走。至於有些患者是四肢有缺损,这些患者就得利用义肢来协助其生活。或许许多人对於义肢的印象,还停留在过去那种海盗船船长的弯勾手臂或者木制义足上,然而这些义肢技术与时俱进,现今的义肢已经可以做到类似机械人的动作那样,靠着患者本身的自主意识来操作机械手臂或脚。这样可以靠着患者自行操控的义肢就叫做仿生义肢(Bionic Prosthetic)。


仿生义肢的工作原理,是探测使用者的肌肉信号。以手臂为例,当使用者戴上仿生手臂并弯曲肘部下方的肢体肌肉时,特殊的感测器会检测自然产生的微小电子信号,并根据信号的强烈度与大小,将其转换为直观的仿生手臂运动。透过这种手臂肌肉的紧缩与张放,或者打开与闭合等动作,来控制仿生手臂。


大多数仿生义肢的使用者分享了使用的心得,重点都在於一开始的学习难易度。仿生义肢学习的时间长短,往往决定了这个仿生义肢是否能被更多伤残患者所接受。而随着感测元件的进步,新一代的仿生义肢通常能够更精确接收来自患者肌肉的讯息,并做出正确的动作。



图二 : 仿生手臂可进行抓取等不同的复杂动作。
图二 : 仿生手臂可进行抓取等不同的复杂动作。

一般来说,设计较为精良的仿生义肢,能够让伤残患者在十分钟内就学会控制仿生手臂或者下肢,至於有些患者则需要更多的复健训练来增强其不同的肌肉部位。这种利用肌肉来进行机械控制的技术,在科学上被称为肌电图,在仿生义肢中的特殊感测器,通常都是肌电图或EMG电极。肌电仿生义肢通常都是即??即用,套上患者的四肢即可立即动作,这意味着其设计的目的就是让伤残患者可以轻松地打开和关闭其仿生四肢,让生活行动上的不便利减到最低。通常仿生义肢都具有可调节的动态套座,可为伤患提供最大的穿着舒适度。另外,使用前无需手术,只需要确定使用者最强的肌肉部位,然後对其伤残部分进行3D扫描,或对剩馀的肢体进行塑形,即可为每个患者客制化不同型态的仿生义肢。


让动作更趋近真人

既然仿生义肢已经可以利用肌肉讯号来进行控制,那麽这些仿生义肢到底可以做到怎样的动作与程度呢?以手臂为例,新一代的仿生手臂已经可以做到接近於人类自然的动作,例如抓、捏、或者击掌等。


一般来说,仿生手臂都可以提供使用者不同的控制功能或者不同的抓取模式。当患者的肌肉进行较轻微的紧缩时,仿生手臂的动作会较为缓慢,而当肌肉更紧绷的时候,动作速度也会更加迅速。这样的控制模式对於操纵小型或易碎的物体(例如鸡蛋或滚珠轴承)将会很有用。



图三 : 外骨骼机器人可让正常人拥有更强大的体能状态。
图三 : 外骨骼机器人可让正常人拥有更强大的体能状态。

在仿生手臂中,通常都有内建了几种动作的模式,患者透过肌肉来按下「按钮」,便可以让仿生手臂在不同动作之间进行切换,这样可以做出更趋近於人的自然动作,在使用上也将提供更高的便利性。此外,透过另行设定的软体,也能够为不同目的的使用者客制化不同的手指抓取动作。


结语

我们可以发现,辅助科技除了是用来解决患者生活不便的问题之外,也间接解决了医疗产业现有照护人员不足的现况。而本文所提及的多种不同辅助科技,其重点都是在於让伤残患者的生活更有品质,也更有尊严。


这些医疗辅具随着科技进步,也越来越聪明,让伤患几??可以做到跟一般人相同的事情。下一步发展预期将是让这些医疗辅具的价格进一步降低,使其能普及到更多使用者身上,造福更多的伤残患者。


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