010-65363526
rmzk001@163.com
“成绩出来了，金奖！”
2023年12月2日晚上10点，史健廷第一时间把喜讯告诉了指导教师毕路拯教授与费炜杰博士，并一口气将信息转发到6个相关微信群，群里的祝贺随即刷了屏。
当晚，中国国际大学生创新大赛（2023）决赛落幕。北京理工大学机械与车辆学院（以下简称“北理工机车学院”）智能人机系统实验室团队带来的MARX（Mind-control Assisting Rehabilitation Exoskeleton，脑控辅助康复外骨骼）项目以小组第二名的成绩获得金奖。包括北理工机车学院2023级机械工程专业博士生史健廷在内的15名项目成员近7个月的努力，在这一刻得到最好的回馈。
在康复医院，看到病患群体需求
北理工机车学院2020级机械工程专业博士生王佳蓉至今还记得，第一次走进北京康复医院康复中心时的场景：
辅助患者恢复的设备，高高低低地摆满整个楼层。穿戴着各种“装备”的患者或站或坐，在家人、医生的看护下，训练着生疏的肌肉，抬腿、伸臂甚至更简单的握拳，都显得很吃力。
王佳蓉是MARX的核心成员，此前一直在做脑机接口领域的研究。
“我做相关课题很久了，可一直没机会接触病人，都是从论文上了解信息。”她说，在听了一场中国人民解放军总医院第一附属医院神经外科副主任赵明医师的分享后，她和同学们有了到医院看看的想法。
在这里，大学生们看到了隐匿在康复中心的少数人。“他们每天早上准时来康复中心，一天要进行多项训练，每项训练都要1-2小时。”王佳蓉了解到，康复训练不仅枯燥无聊，而且容易进入瓶颈期，“刚开始时有效果，可到了后期效果不一定理想。有人练了一两年变化却微乎其微”。
项目负责人史健廷则更有体会。外婆60岁时中风，生活极为不便，平时生活都需要家人帮助。“如果有款产品能给他们带来康复的希望，那么他们的生活质量和尊严都能得到提升。”
在调研过程中，团队发现，绝大部分患者都做下肢训练，上肢训练器械却不多。“上肢更加重要，对下肢瘫痪的病患来说，上肢控制轮椅至少可以帮助出行，但上肢瘫痪会让吃饭、穿衣等日常生活基本需求都变得困难。”王佳蓉说。
经询问医生大家才知道，下肢粗壮关节大、运动模式较少，更便于使用器械训练。想要上肢训练则需要精细外骨骼设备，目前市场上此类设备并不多，少有的设备也仅限于单上肢。
王佳蓉知道自己来对了。“我之前的项目都是研究上肢运动相关的脑信号，前期积累的技术刚好能帮到他们。”团队研究课题终于浮出水面。他们希望借助脑机接口技术，生产一款能够侧重双上肢的训练康复产品，让病人能像正常人一样进行上肢活动。
解码脑信号 寻找最优解
当前，全球脑机接口在医疗健康、国防安全、工业生产、教育娱乐以及日常生活等领域都具有广泛的应用前景，成为世界科技创新领域的重要课题之一。近年来，北京理工大学机械与车辆学院的毕路拯教授领导的智能人机系统实验室一直围绕脑机接口前沿技术进行探索。
经过团队反复研究认为，想要研发出理想产品，需要探究出病患头皮脑电信号与肢体动作间的关系，并将相关规律应用到外骨骼产品中，辅助病人进行康复动作，达到训练的目的。
研究路径明确后，首要的就是收集相关脑信号数据。王佳蓉告诉记者，和正常人相比，病人脑信号更复杂，同时容易受到其他因素的影响，检测起来并不容易。同时，病人由于肌肉紧张、肌肉痉挛、易疲劳、无法久坐等原因无法像健康被试一样进行长时间的脑电数据采集，全部测试下来需要近2小时，不是所有人都能坚持。
团队还需要解决如何通过分析处理，在繁杂的数据中找到双上肢神经的表征，并从头皮脑电中解码运动意图。“这并不是件容易事，头皮脑电波十分微弱，容易受到各种噪音干扰产生伪迹。”王佳蓉介绍说。
她和团队成员通过反复对比试验，提出了一种神经生理学驱动的深度学习模型，最终为运动意图的解码性能带来了10%的提升。
交叉学科设计 国际化竞争水平
在王佳蓉研究创新算法的同时，还有一批成员在进行外骨骼控制方面的研究，它决定着是否可以更加智能地控制外骨骼设备。
北理工机车学院2019级机械工程专业博士生史浩男选择将人机协同中的协作方式加以凝练运用到脑机协同中，引入了连续脑机接口技术、基于合作博弈的自适应脑机协同控制技术。
2023年4月16日，经过几个月的反复实验，控制轨迹最终在仿真中更加平滑顺畅，在几天之后的实物实验中，取得圆满成功。
“MARX的三大核心技术，重新定义了机器人外骨骼。”团队展示人张经纬是比利时鲁汶大学博士，在该创新创业项目中负责市场调研、竞品分析与产品服务模式等方面。
“这是北理工和鲁汶大学在科学研究上强强联合的卓越成果，也是中国智造有能力实现高水平科技自立自强的有力证明！”张经纬说， MARX是世界上首个可以同时控制左右两肢的脑控外骨骼。
智能人机系统团队的学术带头人毕路拯教授是该项目的指导教师，他评价“这个项目展现了令人振奋的前瞻性和社会责任感，在多项技术上取得了重大突破，未来有望为肢体功能老化的老年人和残障者带来生命的尊严与康复的希望”。
（责编：汪翠萍）
