近几十年来，机器人技术的进步推动了医疗保健领域的重大进步，尤其是在增强行动能力和康复相关领域。可穿戴机器人外骨骼曾一度被视为科幻小说中的奇幻存在，如今已被广泛用于帮助人们恢复或改善行动能力。同样，机器人辅助康复设备也为正在康复中的伤残患者拓展了治疗的可能性。本文将全面概述机器人技术在医疗保健领域的应用，重点关注两个主要领域：(1) 用于增强行动能力的辅助运动设备；(2) 用于支持康复过程的康复机器人。
1. 机器人和外骨骼的演变
1.1 早期发展
利用机械装置增强人体力量和机动性的概念可以追溯到几十年前。20世纪60年代和70年代的早期军事研究探索了为士兵制造动力外骨骼的可能性，使其能够远距离携带重物（Herr，2009）。尽管这些早期尝试受到笨重设计和动力不足的限制，但它们为现代外骨骼技术奠定了基础。
1.2 技术进步
随着时间的推移，电机、电池、传感器和控制算法的改进推动了外骨骼的发展。更高效的电机和轻质材料（例如碳纤维和高级铝合金）减轻了外骨骼的重量，使其更适合日常使用（Gandhi 等人，2021）。同时，惯性测量单元 (IMU)、力传感器和肌电图 (EMG) 传感器等传感器能够实时检测用户意图，从而实现更流畅、更直观的控制（Yeung 等人，2017）。
1.3 现代外骨骼应用
现代外骨骼有多种形式：
下肢外骨骼：旨在协助行走、站立和爬楼梯（例如，ReWalk、Ekso Bionics、Indego）。
上肢外骨骼：通常用于治疗环境中，以恢复或帮助中风或其他神经损伤患者恢复手臂运动（例如，Myomo 的 MyoPro）。
工业外骨骼：用于减轻重复性任务的负担并降低工人患肌肉骨骼疾病的风险（例如，SuitX 的肩部支撑外骨骼）。
2. 辅助运动设备：增强活动能力
2.1 概述
辅助运动设备是专门为改善或恢复人体运动能力而设计的机器人技术。其目标是提高患者的独立性，降低继发性并发症（例如压疮、肌肉萎缩）的风险，并改善整体生活质量。下肢外骨骼是此类设备中最引人注目的一种，通常为脊髓损伤 (SCI)、多发性硬化症或因年龄相关活动能力下降的患者提供行动解决方案 (Sale 等人，2012)。
2.2 机制和效益
动力驱动
许多外骨骼在髋关节和/或膝关节处使用电动机来辅助行走。集成传感器可以检测用户的姿势或移动尝试，从而触发执行器提供必要的扭矩 (Dollar & Herr, 2008)。根据设备的设计，这种实时辅助可以使用户在平坦的路面上行走，甚至爬楼梯。
体重支撑
一些辅助运动设备可以部分支撑使用者的身体重量，减轻运动时的身体负担。这对于正在进行步态训练或肌肉力量有限的人很有用。
定制化和适应性
先进的算法使外骨骼能够适应用户不断变化的环境，例如步行速度、方向或坡度的变化。这些自适应功能有助于最大限度地提高舒适度、安全性和能源效率 (Zhang et al., 2017)。
改善健康结果
定期使用外骨骼有助于减少因无法活动而引起的继发性并发症，例如肌肉萎缩、骨密度降低或心血管健康不佳。多项研究报告显示，使用者的平衡能力、肌肉力量和整体健康状况均有所改善（Kressler 等人，2013）。
2.3 广泛采用的挑战
尽管辅助运动外骨骼前景光明，但它也面临着障碍：
高成本：开发和制造成本导致购买或租赁价格高昂，限制了可及性。
培训要求：用户和护理人员需要接受专门的培训才能安全操作机器人外骨骼。
监管部门批准：每台设备都必须符合严格的临床标准和认证（例如美国的 FDA、欧洲的 CE 标志），这可能会减缓市场进入的速度。
环境限制：外骨骼在相对平坦的表面上表现最佳，这使得在不平坦或户外地形上导航变得更具挑战性。
3. 康复机器人：支持康复过程
3.1 在康复中的作用
康复机器人旨在辅助患者从身体损伤、中风或神经系统疾病中恢复的治疗过程。这些设备通常用于临床环境，在治疗师的指导下提供高强度、重复性、针对特定任务的训练，这对于神经可塑性和功能恢复至关重要 (Mehrholz et al., 2018)。
3.2 康复机器人重点领域
上肢康复
许多中风患者会出现偏瘫（身体一侧无力），这让他们难以完成日常活动。上肢康复机器人通常采用缆线驱动系统、机械臂或基于外骨骼的解决方案来辅助或抵抗肩关节、肘关节和腕关节的运动（Kwakkel 等人，2017）。例如，Armeo Power（Hocoma 公司）和 MIT-Manus 机械臂（Krebs 等人，2003）。
下肢康复
机器人步态训练器，例如 Lokomat（Hocoma 公司），采用基于跑步机的装置，并在髋关节和膝关节处采用机器人驱动。患者被悬挂在一个支撑其部分体重的安全带系统中。机器人腿通过自然的步态模式引导患者的肢体，促进其重新学习行走技能。
手部和手指康复
手指或手部外骨骼旨在提高灵活性和精细运动控制能力，通常利用轻型执行器和传感器来辅助抓握和释放动作 (Li et al., 2011)。这些外骨骼对中风或手部损伤后康复的患者尤其有益。
虚拟现实（VR）集成
许多先进的康复机器人集成了虚拟现实或类似游戏的界面，以激励患者并提供实时反馈。VR环境的使用可以提高患者的参与度、依从性和功能效果 (Deutsch 等人，2020)。
3.3 优势和临床证据
高重复性和高强度
机器人设备可以提供持续、高强度的治疗，这是推动神经可塑性变化的关键因素（Langhorne 等人，2009）。
客观评估
康复机器人内置的传感器可以测量力量输出、运动范围和肌肉激活等参数。这些数据点可实现个性化进度监控和自适应治疗调整 (Bernhardt 等人，2017)。
一致性和可靠性
与单纯的手动治疗相比，机器人可以提供高度一致的运动路径，并控制施加于患者的辅助或阻力水平。这减少了治疗师的疲劳和训练方案的差异 (Mehrholz et al., 2018)。
赋能治疗师
机器人并非取代人类治疗师，而是作为增强治疗师能力的工具。它们处理重复性任务，使治疗师能够专注于战略决策和个性化的患者互动。
3.4 康复机器人面临的挑战
成本和复杂性：对于诊所来说，复杂的机器人系统成本高昂。维护、维修和员工培训都会增加额外的财务负担。
患者特定需求：个体对治疗的要求差异很大，需要定制设备和程序。
技术限制：当前的设备可能无法复制正常运动的全部复杂性，这强调了对仿生设计和智能控制进行持续研究的必要性。
监管和保险问题：获得监管部门批准和保险报销可能会耗时较长。临床证据必须证明这些技术的成本效益，才能被广泛采用 (Bertani 等人，2021)。
4. 未来方向和新兴趋势
软外骨骼
刚性框架会限制用户的舒适度和活动范围。软性外骨骼由纺织品、线缆和轻质执行器制成，旨在提供辅助，而无需像传统外骨骼那样笨重 (Cao et al., 2020)。
脑机接口（BCI）
在一些原型中，脑机接口技术允许重度瘫痪患者直接使用来自大脑的信号来控制机械肢体或外骨骼（Ang 等人，2010）。这有望为高位脊髓损伤或晚期神经退行性疾病患者开辟新的治疗前景。
人工智能（AI）和机器学习
集成AI算法使外骨骼和康复机器人能够学习并适应用户独特的步态模式或治疗进程。这种适应性可以带来更加个性化和高效的干预措施（Orekhov等人，2021）。
可穿戴传感器和监控
集成在服装或外骨骼中的可穿戴传感器可以收集大量的生物力学和生理数据。通过云端分析，这些数据可以帮助临床医生实时调整治疗方案，从而改善疗效 (Artemiadis, 2014)。
远程康复和远程监控
随着互联互通的增强，外骨骼和康复设备可以在家中使用，同时临床医生可以远程监控进展。这种方法可以将专科护理的覆盖范围扩展到偏远或服务匮乏的社区（Tyagi 等人，2018）。
机器人和外骨骼技术开启了行动能力提升和康复护理的新纪元。从协助脊髓损伤患者到改善中风患者的治疗效果，这些设备展现了工程与医学融合的变革力量。尽管成本、监管挑战和技术限制等障碍依然存在，但设计、控制和人工智能领域的持续研究和创新预示着光明的未来。随着这些设备日益精密和普及，它们有望显著改善全球数百万人的生活质量。
参考
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