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第十九届上海国际残疾人、老年人康复护理保健用品用具展览会于2019年7月11日至7月13日在上海世博展览馆隆重举行。

 

 

在漫威的影片中,外骨骼机器人可以将普通人变成钢铁侠托尼·斯塔克;在郭帆的影片中,外骨骼可以将救援小分队CN171-11武装成能够搬运重达数百斤的“火石”的“半机械人”;在现实生活中,也有人正在利用外骨骼,使失去行走能力、运动能力的人,重新恢复站立甚至行走的希望。

我国的康复医疗产业仍处于发展初期,一面是卒中、脑瘫、帕金森等行动能力受到影响的神经退行性疾病庞大且迫切的市场需求,一面是资金投入少,康复机构数量少、规模小、设备研发落后等现状,需求与供给之间严重的不平衡催生了技术研发的动力。

除了目前普遍应用的末端牵引式康复机器人、悬挂式机器人,目前最先进的康复机器人是可穿戴外骨骼机器人。它基于仿生原理进行设计,结合人体工程学,可以穿戴于患肢。每个关节上都对应有单独的驱动装置,患者佩戴后可以确保机器人的运动模式和人体自由度同轴,可以实现更有效的康复训练。

在外骨骼机器人应用于康复领域的治疗时,这个充满希望的技术发展到什么程度?市场化的程度如何?能够解决什么样的需求?在应用的过程中又遇到了怎样的难题?本文将与您一同探讨。

传统康复大多依靠人力,康复治疗师稀缺

迈步机器人CEO陈功博士曾在钛媒体公开课中透露,我国康复产业不管是从人均康复理疗师的数量还是康复流程,都是相对来说落后的。在老百姓的认知中,康复也不是一个很必要的概念。

在我国致残率高达75%,而在国外只有30%左右,因为国外有成熟的一套康复体系,脱离急性期后马上进行康复,只有少部分人会有残疾。但是在我国,中风之后就回家一躺,一躺就再也起不来了。

在脑卒中患者的症状中,步态障碍对人的独立影响是最大的,同样,在康复过程中,一个病人需要好几个康复理疗师辅助,对人力的消耗非常大。

而且在我国康复理疗师的数量是严重不足的,根据我国中风病人的数量,我国需要40多万的康复理疗师,但是其实专业的从业人员只有两万左右,缺口非常大。所以说采用机器人来辅助人工进行康复是一个必然的趋势。而且在国外这种老龄化更严重、人力成本更高的地方,对机器人的需求也更加迫切。

机器人本身不知疲倦,非常适合高体力消耗、重复性的活动。而且机器人可以内置很多传感器,可以实时检测人体的状态,也可以做出评估,这样的话也不需要依赖康复理疗师的经验或者知识背景。而且康复机器人可以预先植入多样化的算法,可以实时根据人体的情况提供智能化的训练,达到更好的康复效果。

就医用的市场规模(B端市场)来看,根据初心资本的统计与推算,2017年我国仅有康复专科医院552家;根据国家统计局的数据显示,2017年全国共有综合医院11701家,据公开资料显示,2017年我国综合医院中设立康复科的医院比例在30%-35%,据此中国有康复科的综合医院约3500家-4000家。故我国对康复型外骨骼机器人有需求的康复医院总数约为4000家-4500家。

因此,以一家医院平均购买1-2台设备计算,中国康复型外骨骼机器人的存量需求约为9000台,市场规模约在几十亿,较低的渗透率使得纯粹面向B端市场规模较小。

而外骨骼机器人在C端市场的需求中,可以针对行走不便的老年人和无行走障碍的人群这三类提供服务。

根据初心资本的测算,对于轻度肢体残疾人群来说,其需求与老年人接近,参考助听器在听障人士中的渗透率:在我国约为5%,预计未来几年内助行外骨骼的渗透率可达1%,潜在需求量约为17万台;根据国家统计局数据显示,2017年我国老年人口数量达1.58亿人,预计到2020年我国老年人口能够达到1.8亿。

与轻度肢体残疾人群类似,预计渗透率为1%,潜在需求为158万台;无障碍人群的助行市场需求则暂未到来。

外骨骼“玩家”,发展如何?

从形态来看,外骨骼机器人可分为大型外骨骼机器人和可穿戴式外骨骼。

大型的机器人比如瑞士Hocoma公司生产的Lokomat(被蝶和收购),还有国产广州一康的外骨骼,都是在减重跑台的系统的基础上,增加外骨骼的功能。

这类设备单价较高,通常售价为数百万,供医院使用;常州钱璟的Flexbot,可以使人躺着也可以把人竖起来,腿部可以通过外骨骼带动下肢进行步态康复训练,这类系统有减重系统和外骨骼,与lokomat的区别在于底下没有跑台。

康复市场待激活,骨骼机器人何时落地?

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Lokomat Pro专业型下肢康复机器人(来源:Hocoma官网)

可穿戴机器人国外代表性产品有以色列公司ReWalkRobotics公司的ReWalk系列,日本Cyberdyne公司的HAL、美国BerkeleyBionics公司的eLEGS、新西兰RexBionics公司的REX。国内的创业公司,更多的也是研发可穿戴式机器人的企业。

康复市场待激活,骨骼机器人何时落地?

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HAL下肢外骨骼机器人(来源:HAL官网)

在这里我们统计了16家涉及外骨骼技术或外骨骼形态的机器人企业,基本情况列表如下:

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数据来源:动脉网知识库、企查查、IT桔子

从康复机器人类型来说,上肢与下肢是两个大类。其中外骨骼机器人的形态更多的适用于下肢。傅利叶智能创始人兼CEO顾捷表示,下肢的形态是外骨骼的结构会比较适用于临床,现在康复机器人是外骨骼的形态,上肢或者单关节不一定是外骨骼的形态,机器人在医院的康复训练方面,是绝对的刚需,可以辅助治疗师完成训练,家庭使用可以实现功能性的训练。

以Roceso为例,这家位于新加坡的上肢外骨骼手套研发商生产的软机器人解决方案为康复和日常生活中患有肢体运动功能障碍的患者提供功能性帮助。

据RocesoCEO王璐介绍,上肢的难度在于,手部关节的细小和运动方向的复杂。手肘是比较接近下肢的180度运动,肩膀、手腕的运动维度可能360度都会有不同的方向。

而手指的难度在于每个人的手指关节都有不一样的长度和运动方向,所以刚性外骨骼不太适用于上肢的康复,Roceso选择以布料织物和橡胶为主的柔性材料。

另外上肢外骨骼设计起来更复杂还有另一个原因,就是上肢各关节协调运动时的不确定性。下肢走路各关节的角度方向以及次序是可设定的,因此,对于下肢外骨骼来说,另一个好处就是步态学习。

从材料和关节驱动来看,外骨骼也可以分为柔性和刚性两类。对于下肢来说,要支撑偏瘫、截瘫甚至残疾患者的整个身体,达到行走的目的,还是只有刚性材料才能达到支撑的强度。

柔性外骨骼的开发难度主要体现在动力传递上,即如何安全准确的输出力量,这又涉及到基于人工智能算法的模式识别。即通过穿戴传感器数据,识别出步态周期中需要助力的时间点,并自适应各种行走模式。

外骨骼机器人的控制模型可以分为感知层、控制层和决策层。其中,控制系统需要确保外骨骼能快速准确的响应人体的各种动作,还要考虑外骨骼与不同操作者之间的默契,以适应不同操作者的运动特点,整体拥有较高的技术壁垒。

从公司定位来看,傅利叶智能并不算一家典型的外骨骼机器人企业,而是专注于研发多种形态的康复机器人公司,顾捷表示:“外骨骼机器人是从形态上定义的一类机器人,这是比较泛的概念,包覆在人的身体上的穿戴式机器人可以叫做外骨骼,从技术角度来讲主要用到机器人的技术、传感器的技术、算法的技术,属于比较宽泛的技术概念。”

傅利叶智能商务经理杨志豪告诉记者,傅利叶智能的外骨骼机器人产品的控制有好几种模式,一种是被动模式,机器人本身设置了被动的轨迹,患者在穿戴上机器人后,可根据标准轨迹行走;另外也有主动模式,根据采集的力学信号,进行助力行走。

“不同模式针对不同康复期的使用者。被动模式是针对下肢完全瘫痪的,比如说脊髓损伤的患者,然后主动模式更多的是针对偏瘫、脑卒中的患者,或者是非完全性脊髓损伤的患者,应用场景不太一样。”

 

 

除了被动的轨迹训练、肌电信号的捕捉,关于脑电形式控制行动的技术也正在突破,以期更好地进行人机交互。包括Roceso、布法罗在内的几家企业均在此技术方面有一定成果。布法罗已经实现使用肌电、脑电、肌脑电混合的技术产品化,并在CCTV1的机智过人节目中展示了以上技术。

主要用于步态障碍,外骨骼可一定程度恢复行走能力

随着我国老年化进程加重,脑卒中患者数量持续上升。据2017年《中国脑卒中防治报告》公布的数据显示,我国每年约有246万脑卒中新发人群,并以每年8.7%的速度持续上升。其中高达75%卒中幸存者存有着不同程度的运动功能障碍。

然而,上述数据也仅仅是需要康复的人群中的一部分,在外骨骼机器人的适应症方面和功能方面,一般应用于由脑卒中、脑瘫、帕金森、脊髓损伤等神经退行性疾病引起的步态障碍。

一个人如果失去了独立行走的能力就需要专门找人去看护,对家庭来说需要投入较大的看护费用。北航教授、大艾机器人的创始人兼CEO帅梅在机器人领域深耕了十几年,她认为,研发外骨骼机器人真正帮助到无法行走的患者康复,一定程度上是“康复一人幸福全家”。

“对于脑卒中病人来说,这些障碍可以通过康复训练的方式得到改善,甚至恢复。因为大脑是具有可塑性的,通过重复性的大量的训练,大脑里面会形成新的神经回路,症状得到改善,这就是所说的康复训练。”

目前,大艾机器人与与国内顶尖的康复团队合作(北京积水潭医院、北京宣武医院、301医院、国家康复辅具研究中心等),已进行了2000例临床患者应用,据帅梅透露,目前机器人应用的康复效果已有数据可证,数据将作为研究成果发表相关文献。

王璐表示,在外骨骼用于下肢康复效果方面。国际上的一些会议有很多研究者用Rewalk或者用ekso来做研究。针对手部康复而言,有研究显示,相比较单关节运动,针对日常生活行为(ADLs)的“脑部功能区域学习”,不仅会提高病人的积极性,而且会提高康复效果。

“外骨骼的好处在于至少使患者动起来了,动起来之后至少患者体内脂肪就,尤其腹部的脂肪就会减少,相应地也会减少一些病人得其它病的几率。”

在访谈多家外骨骼企业后,我们总结出,外骨骼这一形态的机器人主要针对脑卒中、外伤或术后神经损伤所致肢体功能障碍患者,帮助截瘫或偏瘫的病人恢复上肢机能或下肢行动能力。

当然,在健康领域,也有利用外骨骼机器人增强人体运动能力的企业,如博灵机器人。据博灵机器人CEO张萌介绍,外骨骼机器人应当是主动适应、主动帮助人的机器人设备,因此,博灵机器人的使用场景并不局限于如康复之类的某一个具体的场景。

与医疗器械不同,博灵机器人目前瞄准了两大场景,一是当用户的行动或运动能力有所下降时,通过帮助使用者提升运动能力和运动量的方式,来帮助他更好地管理自己的体重,从而更好地管理自己的健康;二是运动健身领域,通过为用户提供外骨骼机器人产品,运动健身机构能够提供有效、量化的身体评估测量分析,并提供运动规划,帮助健身房实现个性化服务,升级迭代。

除了步态障碍的康复外,创瑞基金投资总监李弘燚表示,针对正常人增强负重避免肌肉损伤或者柔性材料增强正常人的运动能力的外骨骼应用,也是比较有前景的方向。

走出实验室,外骨骼机器人落地还有多远?

资金:背靠高校平台,经费多来自国家补贴

在政策方面,自2012年以来,科技部就出台智能制造科技发展专项规划,其中明确表示,重点发展安全机器人、医疗康复机器人等类别的科技产品,2015年,机器人产业十三五规划也表明,要求实现在助老助残领域、消费服务领域、医疗领域等重点领域的机器人示范应用,并开展核心零部件攻关,前沿共性技术开发、医疗康复机器人应用等重点工作。

另外,深圳、北京、浙江等地对于医疗服务类机器人都有一定的政策倾斜,这也成为助力外骨骼研发的一大因素。从统计数据来看,长三角经济带为主的上海、浙江地区及粤港澳大湾区分布的企业占多数。

康复市场待激活,骨骼机器人何时落地?

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外骨骼机器人企业所在地统计

据杰曼智能创始人刘启军表示,根据政策支持,身处宁波的杰曼智能在研发投入得到了宁波政府补贴的2000万研发经费。

在研发方面,大部分外骨骼机器人企业都是背靠高校机器人研究中心,如成都布法罗机器人依靠的是电子科技大学机器人研究中心程洪教授,大艾机器人则以北京航空航天大学帅梅教授及团队为核心,承担了支撑计划、国家自然基金、北京市重大科技计划项目;位于宁波的杰曼智能依托于浙大机器人研究院全方面开展技术合作,联合开展课题研究,并导入人才与技术资源。

新加坡Roceso同样依托于新加坡国立大学的研究项目。但王璐告诉记者:“大学的研究成果是非常有限的,如果最后做工业生产工业设计的话,还是要企业自己来做,所以企业的研发成本还是很高,对学术研究成果进行重新设计,这也至少需要耗费1-2年的时间。”

资质是落地关键,考量安全性、有效性及临床试验方案的合理性

如何将研究成果从高校研究中心落地市场,成为外骨骼商用的一大难题。而想要实现落地,除了技术成熟度外,首先要过的一关,就是资质。

2018年6月26日,北京大艾机器人科技有限公司旗下的外骨骼机器人艾康、艾动于北京获得CFDA注册证,成为中国首个通过CFDA认证的下肢外骨骼机器人。在此之前,大艾外骨骼康复机器人被并评定为北京市首个二类创新医疗器械,也是实行第二类创新医疗器械“绿色通道”审评审批政策后全国第一个二类创新医疗器械,产品类别为”康复训练设备”。

“流程加速标准不降低“,虽然是创新医疗器械审批通道,帅梅还是对记者强调了拿到二类医疗器械证的难度。”产品的安全性、有效性及临床试验方案的合理性都有着很严格的要求。“

外骨骼机器人首次通过CFDA二类认证,成为其落地的标志。不仅在中国市场,放眼全球亦然。新加坡Roceso研发的易索手套在通过多例临床试验后,已于2019年1月通过美国FDA认证,将正式在美国上市。

售价:少则15万,多则80万,家用市场有待开拓

除了资质外,外骨骼机器人高昂的售价也注定了其市场主要是面向医院,B2B2C的模式成为外骨骼机器人主要的商业模式,纵观全球市场,除了日本的本田公司以租赁模式为主,其余老牌外骨骼企业如Rewalk、Ekso、HAL等,都是以售卖的形式为主,然而本田公司以租期3年为期,价格也高达16200美元,长期使用看来也与高达十几万美元的售价无异。

有康复科医生对记者表示,目前医院的外骨骼机器人大多数是做效果的验证和原理研究,还没有真正实现医用。总体来说,外骨骼机器人对于康复来说是有用的,但是这类设备入门容易,做得好则比较难。

据Zunosaki联合创始人兼COO张皓程表示,在香港地区除了售卖给老年病医院、康复医院外,也有将外骨骼机器人卖给个人康复治疗师的模式,外骨骼设备能够帮助康复治疗师进行康复过程中重复性的工作,大大提高了一人服务多人的康复效率。

刘启军表示:”降低成本的关键在于我们所有的配件国产化了,包括核心的电机跟减速器集成这一块,我们自己的研发产品自己攻关了,使得我们的成本大大压缩,我们的销售价格大概在15万人民币左右。15万的价格,在外骨骼机器人中已经是比较便宜的产品。“

通过记者的了解,在国内市场下肢外骨骼机器人的售价有高有低,低的在15万、20万区间,高的在60万、80万左右,与国外的产品相比,在售价上有一定的优势,但是在康复效果方面,各类产品能做到的效果也不尽相同,部分外骨骼机器人仅能达到被动的助行目的,少部分可以通过提高活动程度,促进脑神经的康复,从而达到康复效果。

在访谈中,不少业内人士提到,如何将外骨骼机器人做到家用化,是实现外骨骼做到更好的人机交互效果的途径之一,如果想将人工智能的技术应用于外骨骼机器人上,势必需要大量的用户数据,而家用化、轻量化、小型化是未来的发展方向之一。

就康复的路径来看,从急性期的医疗机构转到长期随访期的社区康复或家庭护理市场是必然的路径,因此,外骨骼机器人如果能实现家用,市场规模将从现在的几十亿翻番,但就家庭场景而言,机器人与康复师、康复方案的配合至关重要,然而无论是就舒适度、便携性或安全性的考量而言,家用的场景也将大大提高现在的技术门槛。

创瑞基金管理合伙人唐浩夫认为,目前的外骨骼机器人不仅仅是是成本与售价的问题,其市场化还有一段路程。原因在于原来的外骨骼是重+硬结构,活动维度有限,无法适应不同类型的病人,且动力性能差。

他也曾经考察过外骨骼机器人的“明星”项目ReWalk和Ekso。他告诉记者,在目前的技术条件下,硬式外骨骼适合于健康人增强体力型应用场景,或军用、工业场景;在医疗领域,软体外骨骼或许更适应于生病、残疾、康复人群。

目前浙江大学实验室已经研发出有“电子肌肉”的软体机器鱼,可在水中游动,相对于电机驱动、关节式运作的硬体外骨骼机器人,软体机器人是人工肌肉包裹,电刺激人工肌肉收缩,这或许是未来的技术方向。

顾捷说:“现在的外骨骼机器人相当于50、60年代的计算机,外型比较粗糙,威力还没有真正体现出来。“从这种形态来说属于穿戴式机器人,应用前景比较广,可以帮助人完成一些原来人完成不了的功能。”

前景虽好,但是现在的技术仍存在许多需要改进的方向,如能源问题,如何提高续航能力;舒适性问题,如何使机身更加轻巧;人机交互问题,机器人更需要知道人的意图;以及更强劲的数据采集能力和驱动能力。

由此来看,系统整合、人机交互、结构设计、感知识别及认知学习能力将成为未来外骨骼机器人甚至医疗机器人发展的五大重点。

 

来源: 动脉网

 


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