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半機械人的奧運會

2020-03-04 11:38全萌
大科技·百科新說 2020年12期
關鍵詞:仿生學外骨骼假肢

全萌

一個中年人帶著鋼鐵手套緊張地安裝燈泡;另一個人正身著“鋼鐵俠”套裝奮力走樓梯。他們?yōu)槭裁创┲犰诺难b備,卻干著超簡單的事情?其實,你看到的是一場世界級的殘疾人運動會,被稱為“仿生學奧運會”。與普通的運動會不同,它鼓勵選手“開外掛”,穿戴高科技輔助裝備,挑戰(zhàn)一項項對普通人簡單、對殘疾人卻極其困難的任務。

與機器合體的殘疾人運動會

2016年10月8日,有4600名觀眾涌進了瑞士蘇黎世的一家競技場,觀看了一場前所未有的賽事。來自21個國家的50支隊伍,在6天的時間內(nèi),進行了一系列“半機械人”之間的競賽!所有的參賽選手均是殘疾人,他們喪失了部分肢體或者身體癱瘓,但可以借助世界上最先進的技術和設備來完成比賽。與傳統(tǒng)的奧林匹克運動會相同,仿生學奧運會也是每4年舉辦一屆,第二屆仿生學奧運會于2020年11月13至14日舉辦,每支隊伍在各自場館比賽,由官方裁判員在場記錄成績,并通過視頻直播比賽情況。

穿機械腿走樓梯

這項比賽由膝蓋以下被截肢的選手參加,他們可以穿戴任何種類的腿部假肢進行比賽。他們的任務也很日常,共有6項,比如從沙發(fā)上站起來、爬樓梯或斜坡、“跳樁子”等,在最短時間內(nèi)完成最多項任務的選手獲勝。未來,選手在進行以上任務的同時還要挑戰(zhàn)動手任務,比如搬運水桶、箱子等物體。

用機械臂干針線活

在這項比賽中,所有選手都失去了手肘以下的部位,他們需要戴著各自團隊研發(fā)的電動手臂,精準操作一系列物品,比如控制金屬線圈走“迷宮”、切一塊面包并涂上醬汁、模擬晾衣服等等。誰的電動手臂接收信號越靈敏,誰就能越快完成比賽。在一些任務中,裁判還會要求選手蒙上雙眼,通過電動手臂的觸感來真正“摸”到物體,分辨物體的形狀、材料等特征。

套上“機甲”,克服路障

這項比賽的參賽者屬于下肢癱瘓,而他們的輔助設備是機械外骨骼。這是一種套在人腿外側(cè)的機械框架,上面有傳感器、電極和電動機,可以引導選手的膝蓋、腳踝做出正常的腿部擺動,并完成走斜坡、上樓梯、轉(zhuǎn)圈圈、跨木板、彎腰撿東西、疊杯子等任務。不過,選手們使用的機械外骨骼較重,通常在20千克左右,十分耗電,需要研究人員進一步設計出輕量、節(jié)能的外骨骼裝置。

為什么做這么簡單的動作?

對正常人來說比較簡單的日?;顒樱菤埣踩嗣刻於紩龅降碾y題,例如爬樓梯、掛衣服或擺放餐具,即使現(xiàn)在有很多輔助設備比如輪椅、假肢,它們也不能完美地貼合人體,常出現(xiàn)穿戴不適、輔助效果不佳的情況。為了讓實驗室研發(fā)出更好的輔助設備,更符合殘疾人在日常生活中的真實需求,仿生學奧運會選擇從最簡單的日?;顒尤胧郑瑴y試這些輔助設備是不是真的對殘疾人有用。

想騎單車就電一下

在這場比賽中,選手腰部以下全部癱瘓,即他們的大腦與下半身的肌肉神經(jīng)聯(lián)系被切斷了,沒辦法讓下半身動起來。但這項比賽卻能通過一種叫“功能性電刺激”的技術,恢復選手控制肌肉的功能。參賽選手的自行車有一個手柄,手柄里有一個電擊按鈕,當選手按下按鈕后,一股電流會傳遞至植入腿部皮膚的電極,微弱的電流會刺激腿部神經(jīng),使肌肉收縮,選手的腿部就能彎曲并踩動踏板,自行車就能動起來了。選手駕駛的是平臥自行車,不需要擔心平衡的問題,但必須在8分鐘之內(nèi)騎完全程,最快者獲勝。

坐輪椅翻“山”越“嶺”

這項比賽的參賽選手需要駕駛機動輪椅,完成6種障礙賽,比如爬樓梯和斜坡道、穿越不平坦的地面等等。選手們通過操縱桿、舌頭控制器、觸摸板或其他設備來控制輪椅,而這項比賽的難點在于操控輪椅在狹窄的空間中行駛,比如門道或家具之間;如果地形不夠好,比如有很多鋼管路障,機動輪椅得想方設法駛過去;在下樓梯的過程中,裁判還會要求選手暫停、保持不動一段時間,以此證明對輪椅的控制能力。

用意念玩電腦游戲

這項比賽有點奇怪,只見參賽選手坐在電腦屏幕前,緊盯著屏幕,但手卻一動不動。這些選手都是全身癱瘓的人,即頸部以下的身體都無法活動,不過他們的大腦仍然可以發(fā)出信號,于是科學家為選手們提供了電極帽,檢測他們大腦的活動,并將信號傳到計算機上,支配游戲角色的行動。不同團隊會給選手設計不同的思維規(guī)則,比如埃塞克斯大學團隊給一位選手設計了四條思維規(guī)則:移動右手——跑、移動腿部——跳躍、電話響了——滾動、腦海里的文字——保持不動。

人和技術一起“升級”

參加仿生學奧運會的選手均以團隊形式參賽,每個團隊至少有一名“駕駛員”,即穿戴輔助設備進行比賽的人,還有技術支持方(大學或公司),技術支持方由若干科學家和技術人員參賽。雙方必須緊密合作,在比賽開始前一起開發(fā)、測試輔助系統(tǒng)和裝備,以使駕駛員獲得最舒適、有效的使用體驗。每項比賽的金銀銅牌都有兩名獲得者,分別是駕駛員和技術支持方,而該賽事的6項競賽分別為:電動手臂假肢競賽、電動腿假肢競賽、動力外骨骼競賽、功能性電刺激自行車競賽、電動輪椅競賽和腦機接口競賽。

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