34 歲 MIT 博士後楊興幫的人生格外 “硬朗”，他生於年平均氣溫僅有 3.3℃ 的黑龍江省綏化市，本科和博士（直博）均畢業於北航。目前已經身為人父的他，談及今年夏天結束博後研究時去向，答案只有四個字：回國任教。

圖 | 楊興幫

而他的研究領域也很硬 —— 康復輔助醫療，去年其作為通訊作者在《資訊與電子工程前沿》（Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering）上，發表了以《可實現蹠屈 - 背屈雙向運動輔助的線纜驅動可攜帶式踝關節外骨骼》（“An untethered cable-driven ankle exoskeleton with plantarflexion-dorsiflexion bidirectional movement assistance”）為題的論文。

論文介紹了一種可攜帶線纜驅動的踝關節外骨骼（下稱 “外骨骼”），他告訴 DeepTech，該裝置主要面向踝關節功能未完全受損的足下垂患者，目的是透過機械訓練讓其恢復健康。

圖 | 可攜帶線纜驅動的踝關節外骨骼

由於腦卒中、脊髓損傷或外傷等原因，足下垂患者的腳尖會不由自主地往下拖，稍不注意就會走路跌倒，進而引起關節損傷。而外骨骼擁有雙向運動輔助功能，可透過主動控制把患者腳尖拉起來，從而保障正常行走。

楊興幫表示，外骨骼的目標是讓使用者穿上後，能獲得走路所需的關節力矩（力對物體作用時所產生的轉動效應的物理量），同時提供正常的矯正步態，理論上患者不用出力就能正常行走。

外骨骼有七公斤重，主包含四部分：腳踝外骨骼、電源輸出模組、線纜傳輸系統、感測及控制模組。

圖 | 腳踝外骨骼（a）的概述、電源輸出模組（b）的概述以及線纜傳輸系統（c）的膝部模組的詳細示意圖

第一部分是腳踝外骨骼，是外骨骼的主要執行部分，其主要作用在腳上，上部與一些管件連線，這些管件是線纜傳遞動力的通道，可對下肢起到保護作用；

第二部分是電源輸出模組，內含 22.2V、容量為 5300mAh 的鋰電池；

第三部分是線纜傳輸系統，負責將電機動力傳遞到末端，從而為腳步踝關節運動提供動力，並能起到輔助換向作用；

第四部分是感測及控制模組，主要透過足底壓力感測器和 IMU（ Inertial Measurement Unit，一種與人體相容的感測器）實現步態實時識別，並透過控制系統按照腳踝輸出力矩的規律，來提供仿生力矩從而輔助患者運動。

圖 | 足部壓力感測器（a）的腳趾、前掌和腳跟的測量單位以及 IMU（b）的放置

具體工作時，主要涉及到以下步驟：首先，線纜會把動力從系在腰部的電機傳遞到腳部踝關節；其次是步態資訊採集和識別，該裝置採用足底壓力感測器和 IMU 相結合的方式來採集行走資訊，透過資料融合實現行走步態的實時識別；隨後，控制模組將資訊進行處理和分析，進行步態預測、並按照實時步態的特定時刻，來提供與腳踝力矩相同的輔助力矩，使裝置力矩輸出與人體步態實時結合，從而實現更好的人機相容。

圖 | 外骨骼在矢狀面上踝關節運動的受力和運動分析

比如，使用者在某一步態時刻所需要的踝關節力矩，都可根據自身需求及腳踝力矩資料設定好，此外外骨骼還能根據行走步態、將助力曲線輪廓做實時變化，也能通過歷史步態規律來實時預測當前步態。

雙向運動設計 + 腰部負重線纜系統，使用者佩戴更輕鬆

相比此前多數同類裝置，外骨骼可實現雙向運動輔助。人體腳踝的雙向運動，指的是踝關節可以朝兩個方向運動，腳平時可以往上或往下轉動，往上轉動叫背屈，往下轉動叫蹠屈。

圖 | 背屈和蹠屈

此前也有裝置可做雙向運動輔助，但裝置普遍較重，因為它們大多把電機裝載在末端即靠近腳踝處進行驅動，這樣末端附加的轉動慣量就會比較大，使用者要消耗力氣也更大，裝置對末端的控制精度也會打折扣。

基於此，該團隊提出了線纜驅動方案，透過腳跟和前掌的 4 根線纜提供動力、配合齒輪 - 滑輪換向結構以及運動控制，實現了踝關節蹠屈 - 背屈的雙向運動。優點在於可將主要質量集中在身體近端，減小身體遠端的質量，從而減小附加轉動慣量，佩戴起來更輕更舒適。

而雙向運動輔助的好處，是能提高腳踝輔助功率，其原理是人腳在行走過程中，肌肉做功雖然主要在蹠屈階段，但在腳離地擺動階段，也會有一個背屈運動，如果加一個輔助力，就能讓人更省力。

值得一提的是，外骨骼的主要動力部件集中在腰部，透過線纜傳輸系統將輔助力傳遞到腳步。這樣做的好處是可以減少身體末端負重，因為身體下端負重越大，附加轉動慣量越大，佩戴就越不舒服。

比如，一些運動員為訓練腿部肌肉，會在腿部或腰部穿沙袋，正是為了增加末端負重，增加肌肉訓練強度。末端負重越大、力臂就越長，驅動負載所需的力矩也就越大，但對正常人來說，這個力矩其實是多餘的，反而會增加穿戴者的能量消耗。

圖 | 測量前腳拉索角 θf、後跟拉索角 θh 和腳踝旋轉角 θa

從人體功效設計角度來說，將重量都放在人體近端，遠端少放一點，那麼腳部外力（慣性力）就會更小，抬腳也比較省事。因此，減少多餘的轉動慣量，為的就是減小人體做的無用功，從外骨骼角度來說，還能減小外骨骼的功耗並提高控制效率及精度。一言以蔽之，如果不想讓使用者自己去克服，那就需要讓機器來克服。

為測試設計效果，在無 EXO（外骨骼）、有 EXO 斷電和通電三種條件下，受試者佩戴上外骨骼後的小腿比目魚肌運動量分別有所不同。當受試者穿著助力功能開啟的外骨骼時，比目魚肌的活動比不穿外骨骼時減少了 5.2%，比穿戴助力功能關閉的外骨骼時節省了 16.7% 的能量。

圖 | 測試效果

在裝置研發過程中，該團隊專門研發出力反饋控制演算法，還開發出了識別步態狀態的仿生控制功能。仿生控制可追蹤生物腳踝力矩，只有知道使用者的具體步態時刻，才能在確定的步態時刻給到特定值。同時，只有知道特定步態和特定時間點的力，才能判斷外骨骼需要在何時給力，這一過程就叫人機步態同步。

在測試中，一位 22 歲的佩戴者穿上外骨骼，就可實現在跑步機上行走。楊興幫說，未來外骨骼有望實現讓使用者在跑步機上跑步。長遠來看，外骨骼也可對任意健康人群施加行走助力和跑步助力，但考慮到速度和衝擊的影響，還需在結構和功率上加以改進。

圖 | 佩戴外骨骼在跑步機上行走

博後跟隨 MIT 仿生義肢權威休・赫爾，數月後即將學成歸國

楊興幫的博後導師是休・赫爾（Hugh Herr），後者是 MIT 媒體實驗室生物機械電子組的負責人。談及來到該小組做研究，他說自己發郵件和赫爾聯絡過幾次，對於赫爾研究的康復輔助裝置他也非常感興趣。與此同時，北航目前也在全力支援生物醫學的發展。經過面試後，楊興幫順利來到該實驗室。

圖 | 麻省理工學院（MIT）教授休・赫爾

赫爾是 MIT 的終身教授，17 歲時因爬山遇暴風雪雙腿凍傷而截肢，然而他並沒有一蹶不振，悲天憫人，此後多年他不僅自研假肢繼續攀巖，還成為仿生義肢的科研領軍人物，併成立公司落地了多款產品。能跟著如此重磅的導師做科研，對於楊興幫未來歸國任教，一定會大有裨益。

2021 年 8 月，楊興幫即將結束博士後研究，他表示到時肯定會回國任教，以及繼續研究仿生機器人和康復輔助醫療。