《流浪地球2》电影照进现实：人类如何控制“外骨骼”机器人
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作者：
维拓启创
来源：
维拓启创
发布时间：
2023-01-30 15:45
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2023年电影春节档，科幻背景的《流浪地球2》不仅取得了票房的成功，还带火了一波外骨骼、浸没液冷计算机等“黑科技”。电影中多次出现的外骨骼，可将人体主观信息与各类硬件客观数据相结合，帮助人类拥有更多的“超能力”。
电影是现实的艺术化“再造”，实际上在我们的生活中，“外骨骼”机器人这种人机交互早已经出现，并广泛应用在医疗康复、国防科技、智能养老等多个领域。在人机交互和融合的过程中，如何将人类感觉运动系统与机器人的传感器和执行器系统连接起来?如何提高人类控制的精度?一直是各国科学家关注的重点。
2022年10月18日，TMSi公司在意大利锡耶纳参加了“欧洲地平线项目”(Horizon Europe Project)：人-机感觉运动增强(HARIA)的启动会议。
HARIA项目简介
由欧盟资助的HARIA项目是一个欧洲合作项目，涉及锡耶纳大学、意大利技术研究院、卡尔斯鲁厄理工学院、圣卢西亚基金会、TMSi公司等，它将为一项新技术铺平道路，该技术将人类感觉运动系统与机器人的传感器和执行器系统连接起来。
该项目的目标是开发人工智能驱动的可穿戴和接地的外骨骼机器人(supernumerary robotic limbs)和可穿戴感觉运动接口，并采用增强方法。这将使慢性中风和脊髓损伤患者能够通过可穿戴接口直接感觉和控制外骨骼。TMSi公司在该项目中的角色是提供来自目标肌肉的高质量信号，以优化外骨骼机器人的控制。HARIA将用于治疗单侧或双侧上肢慢性运动障碍患者，帮助他们提高生活质量。
HARIA项目目标
HARIA重新定义了现实中人-机交互的本质，为新的研究领域，即人类感觉运动增强奠定了基础。其想法是研究如何将人类和人工智能驱动的外骨骼结合起来，在人的直接控制下用生物信号和外骨骼执行复杂的操作任务。
HARIA的一个基本挑战是在用户控制的运动任务参数和机器人自主水平之间找到正确的平衡。这种相互作用的核心技术是可穿戴的感觉运动接口，它在人类感觉运动系统和机器人的传感器和执行器系统之间建立了连接，允许相互感知、信任和理解。
预期影响
人工智能驱动的人类感觉运动增强技术。HARIA将开发具有改善操作能力和灵活性的机器人系统，以及结合输入和反馈设备的新型感觉运动人机接口，以便在人类用户和机器人肢体之间建立连接。
用于人类感觉运动增强的高级控制器。HARIA将设计新颖的方法，将可穿戴接口捕获的生物信号和人体动作结合起来，结合场景理解和智能角色分配，来生成对外骨骼机器人的控制。机器人传感器捕捉到的任务执行信息将通过触觉信号反馈给人，增强人对外骨骼的感知以及任务执行意识。
残障人士的外骨骼。到目前为止，可穿戴的外骨骼主要用于增强健康人群的能力，而协作手臂和抓手主要应用于工业装配任务。HARIA将这些技术应用于辅助设备，并针对大量上肢残疾的用户。HARIA系统将集成在不同的场景中，这些场景涉及选定的中风幸存者和脊髓损伤患者的日常生活活动。由于采用了感觉-运动接口，用户将主动负责控制机器人。这将代表使用HARIA设备的强大动机，确保其长期采用。
对医疗保健领域以及其他领域的长期影响。中风和脊髓损伤后对生活的中期影响将在日常活动执行的自主性恢复中体现出来，也会对护理人员和康复机构产生积极影响。由于可以在家中远程利用HARIA技术，预计在家庭康复和家庭护理方面将产生长期的社会影响。此外，该项目的成果将影响服务机器人领域的其他行业，为人机通讯定义新的范式。
相关设备
SAGA高密度肌电测量系统
便携可穿戴
单模块重量仅700g,配备支架和肩带可将放大器平稳固定在受试者身上。
定制多通道
单台SAGA设备可采集32或64通道的HD-EMG。两台设备可并联使用，同步采集相邻肌群最大128通道的HD-EMG信号。
集成多种生理信号
可同时采集高密度肌电、脑电、心电、表面肌电、眼电、皮温、皮电、呼吸、压力、角度、加速度和血氧等多种生理数据。
抗干扰可移动实时测量
利用主动屏蔽技术、重力感应技术、结合高输入阻抗和共模抑制比，避免了工频和运动干扰对数据质量的影响。
数据质量高
纯直流放大器，硬件不做滤波;能采集10Hz以下的肌电信号，24-bit高位A/D转换分辨率，单通道最大采样率达4096 Hz。
24小时不间断测试
系统支持电池供电模式，可在不停止测试的情况下完成电池更换，实现不间断测试。
相关研究
康复医疗
通过测量分析神经修复后不规则皮肤表面的肌电信号，智能假肢试用成功。
芝加哥康复中心(RIC)：智能假肢在患者身上试用成功。
信息安全
复旦大学戴晨赟老师团队，提出了基于神经肌肉密码确保用户信息安全的全新方法。
复旦大学生物医学工程中心：Neuromuscular Password-Based User Authentication.
神经康复
张迎春、周平教授团队提出了一种新颖的3D神经支配区成像方法来确定注射部位，使药物发挥出好的疗效。
休斯顿大学生物医学工程系、休斯顿健康科学中心：Three-Dimensional Innervation Zone Imaging from Multi-Channel Surface EMG Recordings.
吞咽障碍的康复治疗
中科院李光林教授团队，应用HD-EMG方法研究吞咽过程，提出了基于HD-EMG评估吞咽功能、筛选吞咽障碍的评估指标。
中国科学院香港中文大学深圳先进集成技术研究所：基于高密度肌电电势图的正常吞咽过程可视化研究。
应用生理学
HD-EMG信号比传统双极EMG信号具备更强的皮质神经相干性(CMC)，对进一步研究与CMC缺失相关的临床疾病有重要意义。
阿姆斯特丹MOVE研究所：High-density surface electromyography improves the identification of oscillatory synaptic inputs to motoneurons.
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