外骨骼機(jī)器人離我們還有多遠(yuǎn)？

電影《流浪地球》中，通過(guò)控制機(jī)器人外骨骼，救援隊(duì)在冰原中拖動(dòng)火石、救助墜落的人員、最后協(xié)力推動(dòng)“頂針”，賺足了觀眾的眼球。這在現(xiàn)實(shí)中可以實(shí)現(xiàn)嗎？我們真的可以如電影中一樣，隨心所欲地操控沉重的機(jī)械戰(zhàn)甲嗎？當(dāng)前，基于肌電的人機(jī)交互技術(shù)為我們提供了可能。

肌電技術(shù)：可識(shí)別每一個(gè)動(dòng)作

骨骼肌肉電信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)肌電，是一種伴隨肌肉收縮運(yùn)動(dòng)，由肌肉細(xì)胞和相關(guān)神經(jīng)元電活動(dòng)疊加產(chǎn)生的信號(hào)。肌電信號(hào)早先主要被應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)相關(guān)的疾病診斷和康復(fù)訓(xùn)練等領(lǐng)域中。由于在目標(biāo)肌肉群的皮膚上放置電極即可采集到表面肌電信號(hào)，對(duì)人體沒(méi)有任何損害，近年來(lái)，肌電這項(xiàng)技術(shù)也開(kāi)始為普通人群提供服務(wù)。

肌電的產(chǎn)生與肌肉的活動(dòng)息息相關(guān)。不同的動(dòng)作伴隨著不同的肌肉群收縮模式，也對(duì)應(yīng)著不同的肌電響應(yīng)情況，因此，肌電常被用于進(jìn)行人體活動(dòng)狀態(tài)的解讀。

目前，肌電已經(jīng)被證明可以用來(lái)識(shí)別諸如握拳、打響指和抬手等多個(gè)手勢(shì)，以及前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等多種步態(tài)。此外，由于動(dòng)作的產(chǎn)生也需要肌肉活動(dòng)，肌電不僅可以識(shí)別已經(jīng)發(fā)生的動(dòng)作，還可以對(duì)將要進(jìn)行的動(dòng)作進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于肌電在動(dòng)作識(shí)別方面的潛力，其在人機(jī)交互中的應(yīng)用開(kāi)始逐步受到關(guān)注。

實(shí)際上，當(dāng)前市面上已經(jīng)有多種較為成熟的動(dòng)作識(shí)別解決方案，比較著名的有Kinect 和Leap Motion等。但是，這些方案往往都是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)現(xiàn)，需要通過(guò)攝像頭拍攝到人的活動(dòng)，根據(jù)圖像分割技術(shù)，提取關(guān)鍵的骨骼節(jié)點(diǎn)，識(shí)別出當(dāng)前對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。正因?yàn)槠湓砣绱耍@些方案對(duì)于環(huán)境光線，遮擋物和離攝像頭的距離都有一定的要求，因而也限制了應(yīng)用場(chǎng)景和人的活動(dòng)范圍。基于肌電的動(dòng)作識(shí)別只需要在胳膊或者小腿等位置貼上電極，不再需要布置攝像頭等其它外部設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景下的動(dòng)作識(shí)別，相較而言，就要靈活得多。

▲Leap Motion方案是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)現(xiàn)的（圖片來(lái)源/LeapMotion.com）

人機(jī)交互：多個(gè)場(chǎng)景應(yīng)用廣泛

正因?yàn)槠潇`活性，基于肌電的動(dòng)作識(shí)別在多種人機(jī)交互場(chǎng)景中都有應(yīng)用的可能。

例如，航空航天、深海作業(yè)和災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)搜救等條件嚴(yán)苛充滿(mǎn)風(fēng)險(xiǎn)的地方往往需要遠(yuǎn)程控制機(jī)器人進(jìn)行協(xié)助。而利用肌電進(jìn)行機(jī)器人控制只需要使用者作出相應(yīng)的動(dòng)作即可，這讓整個(gè)操作流程變得非常便捷，操作員更有身臨其境的感覺(jué)，對(duì)突然出現(xiàn)的危機(jī)情況也可以更快地進(jìn)行反應(yīng)。此外，這種基于肌電的使用者動(dòng)作同步模擬還有望被應(yīng)用在遠(yuǎn)程手術(shù)中。也許在未來(lái)的一天，通過(guò)分析肌電實(shí)時(shí)提取大夫的手部動(dòng)作，我們可以讓身處北京的大夫控制手術(shù)機(jī)器人治療深圳的患者，讓頂尖的醫(yī)生能幫助到更多的人。

另外，基于肌電的動(dòng)作識(shí)別還可以被應(yīng)用于機(jī)器人外骨骼的控制。這種技術(shù)既可以打造中強(qiáng)力的機(jī)械戰(zhàn)士，也能在日常生活中發(fā)揮作用，例如搬運(yùn)重物，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救出被困在高層的人們，等等。除此之外，該技術(shù)還可以幫助肢體缺損的人重獲活動(dòng)能力。例如，已經(jīng)有基于肌電的解決方案，幫助因事故完全切除手掌的鋼琴愛(ài)好者，控制機(jī)械手成功彈起了自己心愛(ài)的樂(lè)曲。

肌電在娛樂(lè)行業(yè)也有相應(yīng)的前景，除了控制小車(chē)、無(wú)人機(jī)等小游戲之外，基于肌電的動(dòng)作識(shí)別也可以作為虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲的一個(gè)輸入維度，只需要如真實(shí)世界中作出相應(yīng)的動(dòng)作，玩家就可以在游戲世界中走動(dòng)，拾取物品或者進(jìn)行一次攻擊，這種交互模式相較于現(xiàn)有的控制手柄會(huì)帶來(lái)更高的控制感和沉浸感，讓游戲體驗(yàn)提升。同時(shí)，基于肌電的動(dòng)作識(shí)別還可以用于智能家居的控制，想象一下這樣的場(chǎng)景：進(jìn)門(mén)之后打一個(gè)響指，家中的燈光、空調(diào)和音樂(lè)就相繼打開(kāi)，迎接主人的回歸。

▲基于小腿表面肌電的智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)示意圖。通過(guò)對(duì)采集的肌電信號(hào)進(jìn)行比較分析, 選取了動(dòng)作段與靜息區(qū)別較為明顯的CH1等四通道信號(hào)作為后 續(xù)研究信號(hào)源。左上圖是電極放置的位置；右上圖是實(shí)際的控制場(chǎng)景；左下圖是機(jī)器人的示意圖；右下圖是步態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確率（供圖/ 高小榕）

人機(jī)融合：“雙向”交互營(yíng)造沉浸式體驗(yàn)

基于肌電的人機(jī)交互在國(guó)內(nèi)外都受到廣泛的關(guān)注，也是研究的熱門(mén)話(huà)題之一。我和清華大學(xué)神經(jīng)工程研究室徐超立一起，提出了一種新穎的“基于小腿表面肌電信號(hào)的智能移動(dòng)機(jī)器人控制方法”。通過(guò)采集單腿的小腿肌電信號(hào)，并將用戶(hù)步態(tài)動(dòng)作的識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的指令，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人與智能移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)協(xié)同交互。該系統(tǒng)采集方法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率都很高，于2016年發(fā)表在《中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程雜志》上，引起學(xué)術(shù)界好評(píng)，在2019年被評(píng)為“北京地區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)論文”。

那么在下一階段中，肌電在人機(jī)交互領(lǐng)域還有哪些提升的方向？一種可能性是實(shí)現(xiàn)“雙向”的交互。目前常用的，把肌電中信息解碼后用于控制設(shè)備只是一種從人到機(jī)的單向信息傳遞，實(shí)際上，在與觸覺(jué)反饋和肌肉電刺激等技術(shù)結(jié)合之后，我們還可以將反饋信息再直接輸入給人。例如，通過(guò)肌電控制化身在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中鞠一捧水的同時(shí)，如果具有反向的輸入通道，我們還可以感覺(jué)到水的重量和流動(dòng)感。這種雙向的交互可以進(jìn)一步地提高真實(shí)感，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互到人機(jī)融合的跨越。

由于肌電采集相對(duì)簡(jiǎn)潔，蘊(yùn)含信息豐富，在動(dòng)作識(shí)別中具有很大的潛力。但也需要注意到現(xiàn)有技術(shù)仍存在著運(yùn)動(dòng)噪聲干擾判別、動(dòng)作識(shí)別效果受個(gè)體差異影響，單次使用時(shí)間長(zhǎng)性能降低等問(wèn)題。我們期待在研究者的不斷努力下，肌電可以在人機(jī)交互中發(fā)揮更大的作用，為廣大用戶(hù)群體帶來(lái)更自然、更便利的人機(jī)交互解決方案。■