“钢铁侠”的竞技

参赛者马特·斯坦德里奇使用外骨骼来帮助瘫痪病人行走。资料来源:埃里克·凯恩

神经机械假肢奥运会的目标是使参赛设备有利于技术的发展，最终被全世界有需要的人所使用。

万斯·贝杰龙曾经是一名业余自行车手，一年骑7000公里。但在2013年2月，这位50岁的化学工程师在去法国里昂师范大学工作的路上遭遇车祸。他被抛向空中，落地时被击中头部并扭伤了脖子。当他醒来时，他发现他的腿再也不能动了，他的胳膊也不再灵活了。

贝杰龙在床上躺了几个月接受各种康复治疗后，开始寻找一种再次骑车的方法。他开始研究神经科学，主要研究将人类变成“半机器人”的机器的假肢。他了解到，一些假肢通过功能性电刺激(FES)技术向萎缩或残留的肢体传递信号，这种技术可以帮助肌肉收缩和修复某些功能。

使用轮椅后，贝杰龙立即回到实验室，将想法付诸实践，并将研究的重点转向神经科学。他认为自己是实验室里的一只小白鼠，并和团队一起研究如何刺激腿部神经，使腿部肌肉能够弯曲和蹬自行车。"我成了自己的研究项目，一举两得。"他说。

贝吉隆经常参加肌肉强化训练，但他的双腿人工刺激功率最多只能达到20瓦，是普通自行车运动员的1/10(150 ~ 200瓦)。为了提高假肢的性能，他和他的团队正试图将FES控制器和电极放入碳纤维平卧三轮车中。10月8日，他将把这项发明带到瑞士的苏黎世，与其他电子竞技自行车手在赛贝斯隆比赛。Cybathlon是由瑞士国家竞赛研究中心赞助的“神经机械假肢奥林匹克赛”。

机器学习

比赛耗资500万欧元，来自世界25个国家的大约80个研究团队正在为这一盛大活动做准备。他们有一个小团队和世界上最大的先进假肢制造商，大约有300名科学家、工程师、技术支持人员和参与者参与其中。参赛者都是残疾人，每个人将从六项比赛中选择一项来挑战他们处理日常琐事的能力。在假肢使用者竞赛中，第一个完成烹饪和悬挂衣服等任务的“机器人”将赢得冠军。在电动轮椅比赛中，竞争对手将竞争他们应对日常障碍的能力，如碰撞和脚步。

比赛场馆将使用电视摄像机拍摄比赛。每个团队都应该有自己的运动服，让电子竞技像残奥会一样充满运动氛围。然而，两者的区别在于，残奥会追求的是人的表现:运动员必须使用市场上的设备，只能使用自己的肌肉力量。然而，半机械人追求技术和创新。参赛者将使用动力装置，而且大多是实验室新开发的假肢。他们更多的是司机而不是运动员。半机械人的目标是使参与的设备有利于技术的发展，并最终被全世界有需要的人使用。

苏黎世联邦理工学院cyathlon的创始人兼生物医学工程师Robert Riener说，cyathlon竞赛的日常任务远没有看起来那么简单。"我认为人们被互联网和好莱坞电影宠坏了."他说，“我们想告诉他们，世界上还有许多挑战。”

里纳提到，半机械人的起源可以追溯到一个慈善活动的新闻报道:2012年11月，在一次车祸中失去一条腿的扎克·沃特，只用了45分钟就用实验和电动假肢爬上了芝加哥103层的威利斯大楼。

这一壮举震惊了媒体和里纳。但这也让里纳感到沮丧:无论是韦特的设备，还是里纳实验室类似的令人震惊的假肢，还是世界各地的类似设备，都没有被需要它们的人使用。他认为，“我们正在做伟大的工作，但我们还不能很好地销售这些设备。”因此，为什么不通过研究恢复性疗法的团体之间的竞争来吸引人们对科学技术的关注呢？

Riener的实验室团队对设计这样一个竞赛很兴奋。很快，这个消息就被传递给了全世界的同事。他还意识到，对于使用假肢的人来说，解决日常生活中的挑战更为重要和实用。因此，他确信Cybathlon比赛永远不会像奥运会一样。

大脑的力量

显然，BCI竞赛是最奇怪的。15名运动员在设备上坐了4分钟，比赛的大屏幕显示了他们的想法。每个运动员将使用特定的大脑活动模式来引导屏幕上的人物通过障碍。电极帽的旋转可以将脑电波转换成三种指令:加速、跳过障碍物或翻转激光束。

基本上，这些模式可以是任何东西。例如，在英格兰科尔切斯特的埃塞克斯大学，博士后安娜·马特兰·费尔南德斯和一群正在学习和毕业的学生一起，设计了一种算法，可以将这三个动作与运动员的思想或手或脚联系起来，或者与通过数学方程完成的任务联系起来。

这种电子信号非常微弱，而且每种信号都不相同，因此很难区分不同的指令，尤其是当运动员在比赛中被欢呼声和肾上腺素激增分散注意力时。瑞士联邦理工学院的神经科学家何塞·德尔·米伦说，继续专注于任务非常耗费精力。他的团队正在研究如何预测思维模式，使这种联系更加自然，同时让运动员放松。

BCI可能不再用于真正的跳跃和奔跑，因为检测肌肉中的电子活动非常简单。然而，如果这种设备的制造成本足够低和准确，它们可以帮助残疾人引导轮椅、光标甚至具有Skype功能的机器人参加比赛。“事实上，你可以在实验室开发这项技术，然后再制造出来。如果它真的有用，那就意味着这项技术很有前途。”护士长-费尔南德斯说。

其他电子竞技比赛将使用更传统的设备。在假肢比赛中，运动员必须越过诸如楼梯、散落的石头、倾斜的道路和门等障碍物，更不用说坐在轮椅上和站起来的基本动作了。几名参赛者将佩戴最先进的人造膝盖和脚踝，可以检测运动员行走时加速的力量，并在运动员即将摔倒时纠正他们的动作。

但是与整个身体的自然运动相比，即使是最先进的人类装备也会相形见绌。当一个人用手臂拿起笔时，他们的大脑和周围神经系统协调手和笔之间的距离，知道如何将每个手指的关节弯曲成精确的形状，并且知道握笔的难度——所有这些都是无意识的。然而，标准的可移动假肢要求使用者有意识地做这些事情。这是非常困难的，这也是为什么截肢者不愿意戴假肢的原因之一。

为了尽可能实现无意识效果，研究人员必须创造出能够解码肌肉和神经信号并预测佩戴者想要做什么的算法。在加拿大的贝纳比，一个名为MASS的机器人团队与残疾运动员丹尼·莱塔因一起工作。该团队已经用一个平面按钮面板制作了一个连接在莱汀残肢上的手臂假体。

莱廷用他对一只手的记忆来想象做11个手势中的一个，比如把手指指向某个地方。残肢上的肌肉按下这些按钮，告诉假手做这个动作。莱廷很高兴地发现，曾经控制手指的大脑回路仍然可以执行命令。“我在用一种35年没用过的东西。”他说。

有些武器甚至更先进。瑞士哥德堡查尔莫斯理工学院的生物医学工程师马克斯·奥尔蒂斯·卡特兰发明了一种双向假肢，可以在运动中产生感觉。手臂被永久植入佩戴者的骨骼中。九个电极用于接收残肢肌肉发送到假肢的运动指令，手指传感器的信号返回到手臂的感觉神经元。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·加泰罗尼亚希望感知物体的能力能给尼斯卡带来竞争优势。

注意奖励

凯斯西储大学的生物医学工程师罗纳德·特里奥洛(Ronald Triolo)最初认为半机械人是一个愚蠢的想法。他曾经认为，在这些问题上，应该找到达成国际合作而不是竞争的方法。

但是特里奥洛最终明白了:半机械人至少是一个很好的学习机会。Riener希望公开竞争能比传统的学术研究更好地激发创造力，而研究人员对知识产权和资金竞争的担忧会阻碍传统的过程。

美国哈佛商学院(harvard business school)的经济学家卡里姆·拉哈尼(Karim Lakhani)指出，竞争还会迫使研究人员更快地完成工作，消除对可行性的担忧，而这正是阻碍他们开始工作的因素。他指出，自动驾驶汽车曾一度失去生命力，直到2005年美国国防高级研究计划举办了一场奖金为200万美元的竞赛。"这场比赛也将扮演同样的角色."拉哈尼说。半机械人的奖励不是金钱，而是奖牌，但是获胜者所获得的认可将会有同样的激励效果。

也许这个奖项最大的好处是它给了不知名的运动员一个与知名运动员竞争的机会，比如拉哈尼。德国奥托博克康复中心的产品经理克里斯托夫·库斯珀特说:“我们展示了我们在半机械人上的设备，并观察了其他制造商的产品。”

Jesús Tamez-Duque是墨西哥一家相关公司的总经理，他希望Cybathlon能吸引更多的合作伙伴，并证明墨西哥也能参与这一领域。他说:“在我们看来，半机械人是一个以世界顶尖机器人实验室为焦点的竞赛。我们仍在努力成为竞争中的佼佼者，让其他人相信我们能够带来真正的价值。”

电子马拉松将于2020年在日本东京再次举行，与东京奥运会同时举行。届时，将会有更多针对视力障碍者的新项目，一些比赛将在体育场外举行。然而，对于第一次电子马拉松的参与者来说，站在最前线已经是非常令人兴奋的事情了。“这是钢铁侠，这是阿凡达，这是BCI和全世界外骨骼的结合。”伯杰龙说。(张张)

中国科学新闻(2016-08-08第三版国际版)

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