【WRC大咖论道】美国哥伦比亚大学机械工程和康复与再生医学教授Sunil Agrawal：《康复机器人-改善人类日常机能》

2024世界机器人大会以“共育新质生产力 共享智能新未来”为主题，为期三天的主论坛和26场专题论坛上，416位国内外顶尖科学家、国际组织代表、院士和企业家聚焦前沿技术、产业动向和创新成果，深入研讨人工智能与机器人技术深度融合带来的新趋势、新机遇，共同打造了一场十分精彩的机器人领域前沿观点盛宴！

在8月22日下午的主论坛上，美国哥伦比亚大学机械工程和康复与再生医学教授Sunil Agrawal以《康复机器人一改善人类日常机能》为主题发表演讲。

数说2024世界机器人大会

论坛

26 家国际支持机构

3 大主题 26 场专题论坛

416 名国内外顶尖科学家、国际组织代表、院士和企业家

74 位国外嘉宾及港澳台嘉宾参会

线上线下听众达 160万 人次

展览

27 款人形机器人集中亮相

首发新品 60 余款

近 170 家参展企业 600 余件参展产品

参观人数近 25万 人次

大赛

全球 10 余个国家和地区的 7000 余支赛队

 13000 余名参赛选手

每天参赛人数 4000 余人

媒体关注

近 400 家国内外媒体

短视频平台话题播放量达 2.9亿

Sunil Agrawal（美国哥伦比亚大学机械工程和康复与再生医学教授）

以下是演讲内容实录 

很荣幸受邀参加2024世界机器人大会，这一天我听到了很多非常有趣的演讲，今天我想为大家带来一个很不同的主题，就是如何训练机器人和人工智能的系统来帮助人类的日常生活，我们如何使用创新的方式让机器人帮助人类的康复和复健。

我们每天都会做很多不同的事情，我们会站起来、坐下、伸手拿东西、转动头部、走路、爬楼梯等等，大家可能不会过多思考，只是很自然的来做，我刚刚上台就是走上来了，但是大家如果深度的思考一下背后，会有一个中央神经系统来通过感觉系统的反馈协调人体的肌肉和骨骼系统完成这些运动。

在背后其实有脊髓，其实是我们运动信号输入和感觉输出的一个管路，大家想象一下如果有人最近经历了卒中或者有脊髓损伤或者患有脑瘫，或者仅仅因为年龄增长，过去简单的任务现在会变的非常有挑战，我们实验室的目的就是希望通过机器人来帮助人类做运动复健来克服这样的功能障碍。

刚刚说到可能会有各种病症影响到人的运动功能，我们是希望有万能药，人吃一粒胶囊就可以站起来走路了，但是我们是需要通过大量的复健和训练来完成神经系统的康复，这是因为人体的神经是具备所谓的可塑性的，通过不断的运动和复健可以让人体获得功能上的改善。

设计这方面的机器人时要考虑到很多人类运动的本质，如何打造某个机器人可以有感知、有传感器来了解外部的东西，我们每天都会有一些习以为常的事情，但是我们如何把运动系统和机器人系统整合起来，通过逐步的训练一步步的帮助人体复健呢？这个也是需要结合运动医学的知识，我们是需要设定一些特定的项目来让机器人辅助人来完成，这样子才能最终达成功能障碍的康复目标，这样运动训练的原则是逐步的、重复的而且具有挑战性。

身体上进行一些复健的时候，除了步行之外，我们也要考虑到人类的认知，我们这些行走、坐立都是跟大脑控制相关的，而且随着年龄的增长人体的运动系统也是退化的，感觉系统、认知系统都是退化的，所以接下来希望给大家做一些介绍。

我们在实验室希望利用机器人重新训练人类的神经系统，这些机器人就好像是轮子上的训练工具，我们往往会说做一个训练的时候其实是要反复不断的重复，但是人如果有运动障碍，他的平衡可能是有一些问题的，最开始的时候平衡是有困难的，但是通过训练我们会逐步掌握平衡，机器人其实就是有轮子的辅助器，我们会逐步学会这样一些技能辅助，这里其实有大量的动作控制需求。

有一些疾病是神经退行性疾病，基因疾病或者阿尔茨海默症等等，对于这些老年人来说其实更多是功能的维持，因为大脑的衰老过程不可逆，我给大家看一下功能成果展示这些技术的可行性，这些是真正的人是我们社区当中遇到了一些病症困扰的人，大家可能会问为什么选择机器人完成这样的工作，机器人技术可以将客观的数据添加到主观的评估当中，而且机器人其实可以为治疗师提供额外的一双手，我们不会只有一双手没有办法同时完成很多繁重的工作，我们也可以询问一些基本的科学和临床问题，如果我们这么做会发生什么。

这个是我们在美国做的一个卒中患者的训练，大家可能知道卒中或者中风指的是人体大脑有缺血或者是充血的症状，可能是出于阻塞或者血栓的原因，美国大约有700万的卒中幸存者，我们都有这样的问题，如果看卒中发病率是2%，考虑到中国人口体量有相应问题的患者是相当多的，在卒中之后人会有步态的障碍，我们运动时会有问题，所以我们是希望通过机器人来设定特定的运动训练，来帮助这些人的复健。

对于人来说其实是很简单的，我们要走就是在脚上施力完成走步的过程，我们来看一下模板，如何应用这些，这里可以看到两个模板，一个是绿色的，一个是黑色的，黑色这个其实要比绿色小很多，这个是指卒中之后患者踝关节运动会受限，所以在走路的时候会有步态的障碍，我们在三个月当中通过训练可以展示通过机器人的辅助可以改善患者的步态。

训练在训练后也就是15个模块的训练之后，我们其实可以很好的帮助卒中康复者恢复其运动功能，可以看到是有机器人辅助的，大家在图上可以看到三根竿子不仅仅是机器人，还是有摄像头，我们整体作为系统在走路的时候会不断的来进行拍照，大约是每半秒钟，我们会有一个蓝色的柱状，训练6个月之后行走的速度从卒中之后相比有明显的增加的。这个是在康复实验室中很常见的，一旦你有新的技能可能会做的更好，可以出去转一转，散散步，见见朋友，人也会逐步的恢复，这方面我们会有一个特别的设计，基于人类神经系统的科学原理进行训练的，其实是接近外骨骼的设计，可以看到是对底盆部分进行辅助，这里有很多很有趣的研究。

我这里强调的是其实机器人可以使用在很多关于人类表现的领域，后面这个不具体讲了。我们在这里看到一个脐带式的骨盆辅助的装置，如何让机器人帮助人类神经系统恢复功能，最右边当小婴儿学走路的时候，妈妈会做什么呢，我们一般不会扶着身体其它地方，而是会放在孩子腰部左右，在孩子不平衡的时候给他必要的帮助，如果孩子犯了错误可以让他们摔倒，这是一个学习的过程。

学习就是从错误当中汲取经验做的更好，我们把这个叫做骨盆训练，我们在机器人方面骨盆附近有一个辅助，好像妈妈扶着小婴儿的腰一样，通传感器、摄像头，可以对骨盆施加必要的力，不同的力可以选择连续或者是间歇，接着是跟你行走的步态同步的，可以通过实时的方式进行控制来辅助，最终是通过骨盆的辅助帮助人恢复正常的行走，而且可以很好的控制压力，好像是妈妈在帮助小婴儿学走路一样，我们会给他一个辅助。

我们通过这样的方式可以来做一些实时的人的辅助，这个力度可以大可以小。给大家展示一个例子，这是改善脑瘫痪的蹲伏，美国有50万儿童患有脑性瘫痪，所以全世界来看别的国家的情况也是类似的，蹲着走路和膝盖弯曲、关节负荷异常需要使用轮椅，发生的时候很快这个孩子就必须坐轮椅了，这种走路的姿态是不正确的，一般来说是双腿正常交换的，向上移动骨盆以抵抗CPAD施加了10%体重向下的力，所以我们要看到它因为体重向下移动了10%是非常巨大的体感，因此我们训练中如果能够加速走路，对于他们来说是很大的负载，所以我们为这些儿童的蹲伏训练做了19节课并且对比了前后的结果。

由机器人承受了这些压力，在训练前和训练后的效果变化明显，如果看这个里面有两个峰值在15节课之后，我们发现它的峰值不像开始，这是他们地上走的这是刚刚看到的视频，这是训练前的姿态，下面是训练后的姿态，因此和之前相比，它的直立情况改善很多，我们使用人机的互动和机器人解决一些人类的健康问题，还可以用很多其它的健康问题都可以进行纠正，比如说利用骨盆扰动改善人体平衡模拟行走中的一个平衡状态。

这看起来是像要蹦极一样，实际上是为了为罹患帕金森病的病患纠正他们走路的不正确姿势，有效的防止意外的跌倒所带来的风险，超过65%的80岁以上的年龄有跌倒受到严重伤害的可能性，因此这项研究可以受益的人群是非常大的，帮助也是至关重要的，帮助他慢慢恢复平衡力，并且训练他的神经系统在跌倒的情况下可以马上恢复，让它的反应力更加灵敏，通过这项项目已经有数以百计的患者受益，并且可以看到他们的关节和灵敏度比之前要有明显的改善。

我在训练前经常会摔倒，现在我的情况明显的得到了改善，这种平衡扰动系统取得了卓有成效的改进，可以帮助罹患帕金森疾病的病患有效的避免严重的跌伤，这是一个为改善脑瘫欢迎躯干控制能力所做的躯干支撑训练器，它是基于边界力的控制器，有一些儿童无法控制躯干，不能进行日常活动，为了形象展示这个问题，将它作为几个维度进行量化，包括向前倾看看病患能够够到多远，让他们朝不同的方向重复这个动作，以获得他们在坐姿时整个肢体和四肢可以运动的空间的边界，然后进行训练目标的设定，扩大这一空间，使这一空间外界形成一个圆形，机器人的技术就是在坐姿工作的空间边界的躯干上编写一个像是甜甜圈的立场进行相关的训练，这是用于训练和康复的实时工作空间的演示，这是一个基于边界立场干预，将机器人技术与趣味游戏相结合让它够这些目标，以界定出它的运动界限，这样可以提升儿童的动作能力，这是在两个不同的训练阶段里儿童的运动能力可以看到12节课训练前和后的区别。

一开始这个病患的移动范围非常受限，之后明显的变的非常灵活，我们进行随机临床实验可以改善躯干的控制，得到了一系列的数据，证明儿童在许多日常生活活动中表征有明显的改善。

这是佛罗里达实验室接受训练康复的一名病患儿童，这里的人对我们特别好，他可以自己站起来，自己从桌子上面拿食品，以前不行。许多儿童在日常生活活动中都得到了改善，现在HIN资助的随机临床实验已经受益了85名脑瘫儿童，2020年《IEEE神经系统与康复功能学报》上刊登了我们的成果。

对于我们来说一个主要的挑战机器人直立站立训练器，这是两条机器人传送带，是否可以让严重脊髓损伤患者站立或者行走呢，它能够刺激脊椎和机器人中的感觉通路，以进行再训练，需要病患练习平衡，无需将手臂放在原来的传统平衡器的把杆上，它是配备着两条带子用于训练期间的干扰和辅助，因此在过去几年里已经产生了有大量的培训可以在上面看到这些人刚开始自己没有办法站立，但是在训练期结束以后已经可以站立且做一些受控的动作了。

我们知道在机器人领域经常提到臂和腿，实际上在人类有很多病患不能够自主的控制头部的，头颈有控制的问题，这也是我们想要改善的一种情况，美国有两万名这样的患者并称为ALS，头部会下垂，类似的情况出现在脑瘫患者和老年人颈部控制不佳的情况下，包括看著名的霍金先生其实就是这样一种情况，我们设计了一款可穿戴机器人的颈托，并针对AI进行测试，美国国立卫生研究院资助的新研究旨在改善脑瘫患者的进一步控制，新型的颈托所谓退行性椎间盘疾病提供牵引力，头部包含了人体重要的感官器官，所以能够对头部进行有力的支撑，实际上对于病患的整体生理机能都有根本性的提升。

包括感觉功能障碍，以美国为例有6900万人出现平衡功能障碍和跌倒的情况，筛查有跌倒风险的老年人是我们可以做的另一项工作，视觉监听器官会随着年龄增长而衰退，感觉整合与评估受影响的身体姿势，我们使用VR和颈托来扰乱感官信号并测量步态，他是便携式的，可以在特拉华州老年中心进行研究，所以康复机器人具有巨大的社会影响力，我们对此有诸多要点和展望，对于康复系统的设计有生态有效针对特定用户功能和需求，在培训与训练上将神经生物学原理融入临床结果，展示了科学可行性，事前、事后评估是创建机器模型的必由之路，并且多课程培训虽然耗时但是必不可少。这也为我们展示了很多可行性。

我未来的愿景就是将康复机器人能够带入家庭和社区服务我们，并且对社会产生影响，提升人们功能运动的质量，感谢各位的聆听。

（本文根据录音整理）