Smart ArM：挑戰人體極限

在法國巴黎的智慧系統與機器技術研究所（ISIR）裡，一個法國研究小組開發了「Smart ArM」，志在參加 2020 年的 Cybathlon 人造人大賽。這是一項獨特的國際賽事，主要針對使用仿生輔助技術的身障選手所舉辦。Smart ArM 是專為上臂（即肘部以上）截肢者所設計的臂部義肢。這款義肢是多年以來的研究成果，在設計上的確構成了極大的挑戰，因為這牽涉到肘部義肢的構造。本文回顧了這一科技壯舉與人類冒險之旅。

2020 年 Cybathlon 人造人大賽將在 2020 年 11 月 13 至 14 日舉行，選手來自世界各地，但受限於新冠疫情，將以全新模式進行，也就是各隊將在各自國家主場出賽。隊伍們將自行建立比賽場地，然後將他們的比賽情形拍攝下來。比賽會透過特殊的直播節目在一個新平台上現場直播。

Smart ArM 是專為上臂（即肘部以上）截肢者所設計的臂部義肢

這個雄心勃勃的計劃旨在滿足特定身體障礙的合適需求。

相較於前臂或手部截肢，手臂截肢不太常見，因此長久以來一直較少受到研究。在此指的是除了肘部以上截肢之外，還有整隻手臂發育不全，也就是在出生時便缺少手臂。即使大多數受到這種損礙困擾的是年輕人，而且他們也希望能裝配義肢，但目前仍很少或甚至沒有合適的義肢解決方案。在觀察到這種現象之後，巴黎智慧系統與機器技術研究所（ISIR）的一個研究團隊在 2014 年啟動了一個研究計劃。這些研究人員加入了 AGATHE（手勢輔助和治療應用）團隊，在上肢義肢開發方面獲得了大有可為的成果。「我們在 2016 年以觀眾身份參加了第一屆的 Cybathlon 人造人大賽。之後我們就希望建立一個團隊來推廣我們的願景和創新。」Nathanaël Jarrassé 如此解釋；他是 ISIR 的高級研究員和 Smart ArM 計劃的負責人，對於改良人體有極大的興趣。

人機結合

現在，他們必須找到一個運動員。經過幾次尋找均無功而返，一直到與 Cybathlon 贊助夥伴暨 ISIR 的馬達供應商 maxon 的合作人員討論之後，終於找到了理想的人選。應徵者是 Christophe Huchet，前巴黎多家餐廳經理，如今專門訓練中小企業經理。他天生右前臂發育不全，且有令人欽佩的游泳運動生涯——不僅曾多次贏得殘疾人游泳比賽冠軍，甚至在健全人比賽中也有佳績。「這個專案讓我重新投入競技運動和我在游泳生涯中所熟悉的動力；但這一次是為了一個強大的動機：幫助其他人並推動科技和社會進步。對我來說，參加這個活動很重要的原因之一是，這個比賽旨在改變戴輔具的人看待戴輔具的人的方式，展現『使用者-義肢』組合非凡的一面，以推廣這種在某種程度上『美化』殘疾的人體與科技之結合。」Christophe Huchet 解釋道。

為了參加 Cybathlon 人造人大賽，Smart ArM 團隊於 2018 年成立。團隊成員包括一名運動員、一名團隊經理、一個由 ISIR 和艾克斯-馬賽大學運動科學研究所組成的 11 人技術小組，以及一個醫療小組。這樣一個計劃結集了多個非常不同的研究領域，從機電整合到電腦科學，包括了神經科學和生理學，目的在於將義肢與人體正確接合。

「我們參加 Cybathlon 的動機有幾個，其中之一是透過在激烈競爭環境中進行測試，以促進 ISIR 的技術創新。此外，我們也希望引起公眾對於這種特殊殘疾的關注，並且讓大家瞭解機器人輔助技術的具體可能性與侷限。」Nathanaël Jarrassé 如此解釋。Smart ArM 計劃突顯了人類在「人機」結合中所扮演的主要角色，我們經常傾向於認為成功完全取決於技術。

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多重設計困難

在一開始，Smart ArM 團隊就面臨到了幾個困難。最大的困難在於開發一個與 Christophe Huchet 身體結構相容的「外骨骼」肘關節義肢。「與一般手臂截肢之後變短的殘肢相反，他的手臂是正常手臂的長度，因此能夠安裝典型內骨骼肘關節義肢的空間很小。」Nathanaël Jarrassé 解釋。研究人員因此選擇將執行系統的位置往側移，以便能將肘關節義肢的軸放在最理想的位置。

然而，這當然不是 Smart ArM 義肢帶來的唯一的挑戰；由於是為參加 Cybathlon 比賽所設計，原型必須能夠承受實驗室以外的大量和高強度使用，因此必須設計出一款堅固耐用且完全整合的裝置。

機動化侷限性高

原型的動力選擇很重要，必須考量到多個參數。用於原型的齒輪馬達必須面臨間歇性且激烈的使用行為，加上肘關節的蝸輪傳輸裝置效能低且乾摩擦嚴重，使開端相當困難。此外，還得考慮電源電壓的高度波動，還有可觀的衝擊和震動，因為原型將戴在不停奔跑和行走的受試者身上。

開發 SAM 外骨骼肘關節義肢共花了六個月的工作時間。在運行方面，團隊選擇使用一顆 maxon 馬達。「人類手肘可以產生大約 15N/m 的扭力，速率可高於 150°/s。為了能用小關節和電池運轉來重現這種特性，我們希望能找到具有極高性能且直徑小的減速馬達。這就是我們選擇 maxon 的 DCX-GPX 馬達減速機系列的原因。」Nathanaël Jarrassé 解釋。在 ISIR 裡，maxon 的馬達經常被用於在不同研究計劃背景下開發的機器人原型中。Smart ArM 專案經理補充道：「maxon 產品的優勢在於提供了各式各樣的小直徑執行器和具有完美辨識度的市售馬達，使我們可以在初步設計階段完美調整裝置尺寸。」這個隸屬索邦大學的研究團隊尤其讚賞能夠在線上訂購客製化執行器這一點。maxon 也憑藉其工程師的專業知識來提供技術方面的協助。

Smart ArM 團隊希望透過在 2020 年 Cybathlon 人造人大賽上展現他們的專業技能，將開發出來的創新技術轉移至商業產品。他們相信，這種基於人體運動的創新義肢控制方式將能夠說服製造商，進而建立合作關係，盡可能地讓最多人受益於這項創新技術。「開發新技術來幫助身障人士是非常振奮人心的，儘管會遇到許多挑戰。」Nathanael Jarrassé 表示。在整個專案過程中，Smart ArM 團隊努力為想要裝配輔具的人們開發一個實用、可接受且合適的工具。maxon 對於能夠參與這樣的偉大抱負感到驕傲。

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