想象一下你小時候，站在你爸爸的便鞋上，他拖著步子穿過客廳。這真是令人興奮——像木偶一樣被操縱，他的腳移動你的腳，他的臀部擺動你的臀部。但這就是穿別人的鞋走路的結果：最終你寧願自己走。
對於那些失去部分或全部腿部控制能力的人來說，機器人外骨骼是工程奇蹟。在康復診所和使用者家中，它們讓因脊髓損傷或中風而失去行動能力的患者走出輪椅，再次站立起來進行短時間活動。這種重新獲得的運動能力具有身體上的好處，例如更好的血液迴圈和更低的感染風險。
然而，儘管市面上的醫用外骨骼有諸多優點，但它們也存在一些明顯的侷限性。例如，大多數型號需要患者使用柺杖，並且只允許有限的運動範圍。工程師們預計，隨著更多感測器和更復雜的控制演算法的出現，靈活性和平衡性等基本功能將會得到改善。不過，最大的進步可能來自於更好地利用患者自身的能力。
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幾個研究小組目前正在研究下一代外骨骼，這種外骨骼透過電刺激患者的肌肉來部分驅動機器人支架。在更遠的將來，解碼大腦活動的新裝置，即腦機介面（BMI），可以讓患者用意念控制他們的機械腿。未來的外骨骼可能不僅僅是移動一雙肢體。透過與神經系統建立對話，它可以成為使用者不可或缺的一部分。
生物電
在20世紀60年代，醫生開始與工程師合作，為機械支架配備可穿戴電極，稱為功能性電刺激（FES）系統，以輔助行走。這些裝置中的第一個，稱為混合動力裝置，透過小腿向腓總神經發送輕微的電擊，腓總神經使腳踝彎曲，防止患者拖動腳趾，這是中風和多發性硬化症的常見症狀。到20世紀80年代，脊髓損傷的志願者正在測試混合動力腿部矯形器。這些專門的支架使用連線到戰略性放置的電極的手指開關來收縮股四頭肌和膕繩肌，從而促進步態。
然而，這些早期的混合動力裝置有一個很大的缺點。脊髓損傷後，肌肉會萎縮和無力。慢肌纖維（能夠進行諸如行走等持續運動）會轉變成快肌纖維（提供瞬間力量但很快就會疲勞）。患者無法長時間驅動這種裝置，肌肉很快就需要休息。“重力總是獲勝，”美國退伍軍人事務部先進平臺技術中心執行主任羅納德·特里奧洛說。
機器人外骨骼可以提供解決方案。特里奧洛和其他研究人員現在正在將FES融入外骨骼，希望它們能夠與患者的肌肉協調，共同承擔部分負擔。例如，特里奧洛的團隊正在開發一種原型混合動力裝置，該裝置需要在體內植入電極，以便透過接觸控制髖屈肌等深層神經來更精確地啟用單個肌肉。科學家們發現，收縮這些肌肉可以將膝蓋抬高到足以讓患者爬樓梯的程度，但他們爬不了幾級臺階就會感到疲倦。在機器人的額外推動下，他們可以登上整個樓梯。
這種混合動力設計的骨骼具有獨特的優勢。與傳統外骨骼相比，這些新裝置需要使用者的身體做更多的工作。“如果你用肌肉代替電機進行一些運動，你就可以使用更小的電機，並有可能擁有更小、更輕的裝置，”特里奧洛說，這將使外骨骼更容易運輸並延長其電池壽命。
鍛鍊是另一個好處。讓退化的肌肉重新工作可以增強力量和肌張力，並提高新陳代謝，從而改善整體健康狀況。許多專家認為，混合動力外骨骼可以幫助再生因損傷或中風而受損或削弱的神經連線。“為了讓神經系統恢復，你需要神經元放電，”範德比爾特大學工程學教授邁克爾·戈爾德法布說，他的實驗室開發了外骨骼Indego背後的技術，美國製造業巨頭派克漢尼汾計劃在今年晚些時候釋出該產品。該公司還在開發具有FES功能的型號，並預計在2016年在診所測試這些混合動力裝置。
對於一些截癱患者來說，再多的刺激也無法讓肌肉再次泵動。但對於數千名可能受益的輪椅使用者來說，混合動力外骨骼可以提供一種更安全的方式來學習更獨立地行走。戈爾德法佈設想這些機器像教練指導體操運動員一樣教授運動。“隨著肌肉做得越來越多，機器人做得越來越少，”他說。他預測，一些中風患者甚至可以恢復到“將裝置還回去”的程度。
意念控制
下一個前沿領域是大腦。由於今天的外骨骼是透過手動控制或身體姿勢進行物理操作的，因此它們需要高度集中的注意力。例如，使用者無法一邊喝咖啡，一邊牽著愛人的手在街上漫步。腦機介面可以解放雙手，進行多工處理，同時允許更靈活的運動。
在1969年對猴子進行的一項開創性實驗中，華盛頓大學的生理學家埃伯哈德·費茨表明，可以使用大腦中的電訊號來控制身體外部的東西。透過在猴子的運動皮層（控制隨意運動的大腦區域）植入電極，費茨能夠記錄單個神經元的活動。當這些細胞以一定的速率隨機放電時，監視器會發出嗶嗶聲，而綁在椅子上的動物會得到獎勵。在短短幾分鐘內，猴子學會了調整它們的大腦活動，以便在它們高興時發出監視器聲音，基本上是用它們的意念單獨產生聲音和零食。
自那以後，研究人員使用植入物在齧齒動物、猴子和人類身上構建了更復雜的腦機介面，以操作螢幕上的游標或機械臂。在2012年的一項研究中，由布朗大學的利·R·霍赫伯格領導的科學家教會了兩名四肢癱瘓的個體僅用他們的想法就能用機械臂夠取和抓住物體。在每位患者的運動皮層中，一個嬰兒阿司匹林大小的96電極陣列記錄了數百個神經元的喋喋不休。研究人員隨後使用一種稱為解碼器的數學模型將這些訊號轉換為機器命令，例如力、速度和位置——與脊髓將大腦的輸出轉化為肌肉收縮的方式非常相似。
然而，這種腦機介面方案存在問題。儘管植入式陣列可以最精細地描述一個人的精神狀態，但它可能會導致感染，並且很少能持續超過幾年。這是因為大腦會將該裝置當作外來入侵者來攻擊，用蛋白質包裹它，從而抑制神經訊號。
這些缺點導致一些研究人員研究使用腦電圖（EEG）系統的腦機介面，該系統透過頭皮上的電極網路記錄整個大腦的節律活動。直到最近，科學家們還認為腦電圖訊號太弱且噪聲太大，無法用於控制外骨骼。但2010年的一系列研究表明，事實上，基於腦電圖的腦機介面可能能夠以驚人的準確性破譯預期的手和腿部運動。“我們仍在弄清楚腦電圖的侷限性，”休斯頓大學的神經工程師何塞·L·孔特雷拉斯-維達爾說，他領導了這些研究。他目前正在測試一種名為NeuroRex的早期原型，這是一種配備腦電圖的外骨骼，可以讓患者僅透過思考行走來啟動步態。
在杜克大學，米格爾·A·L·尼科萊利斯開展了一項名為“再次行走”的類似專案。該專案在2014年成為頭條新聞，當時一名29歲的截癱患者使用意念控制的外骨骼在巴西世界盃上開球。尼科萊利斯說，從那時起，八名脊髓損傷患者在他的實驗室裡每週練習使用機器人兩到三天，持續了一年多。他報告說，他們已經非常擅長控制它。值得注意的是，他們還恢復了一些觸覺，並且在一些情況下，能夠進行小的腿部運動。“這是一個很大的驚喜，”他說。“看來我們正處於一個門檻，我們不僅能夠恢復運動能力，而且還能夠誘導神經系統恢復。”
目前，意念控制的外骨骼距離普遍使用可能還需要幾十年。工程師們必須首先證明他們可以使植入物安全耐用，或者使用來自頭皮的腦電圖訊號來指導更多樣的技能，例如轉彎和爬樓梯。他們還必須確保現實世界中的干擾，例如說話或吃飯，不會干擾解碼器解釋使用者意圖的能力。
腦機介面最終有可能改變外骨骼服務使用者的方式。透過利用患者自然的運動和控制系統，混合動力和意念導向的輔助裝置可以變得與使用者的大腦和身體更加緊密地結合在一起。正如特里奧洛所說，“與生物學合作而不是為生物學服務是未來的發展方向。”