在这场国际竞赛中，身体残疾的人们将最先进的设备投入测试，他们竞相完成任务。

近日，几位电子竞技选手将通过电脑化身竞相执行日常家务任务：例如，他们必须打开一扇锁着的门，并将杯子放在制冰机下收集精确数量的冰块。这些任务听起来可能很容易，但有一个问题：这些从颈部以下全部瘫痪的选手将仅凭借他们的思维力量尝试完成这些任务。

这是一场脑机接口比赛，是即将于 10 月 25 日至 27 日在瑞士（以及远程）举行的 2024 年 “半机械人奥运会” 中的几项挑战之一。这项每四年举办一次的比赛挑战了人体与机器共同协作的极限，展示了在日常生活基本任务中的熟练程度。

苏黎世联邦理工学院的机器人技术与康复专家罗伯特・里纳（Robert Riener）在十年前发起了 “半机械人奥运会”，他表示，“半机械人奥运会” 与残奥会没有关联，并且它们之间有很大的不同。里纳说：“残奥会更具竞技性，更多地是奖励最强者和最快者 —— 但这排除了很多人。” 在残奥会上，人们可以使用假肢，但所有设备必须是被动的：没有马达、没有显示屏、没有传感器。

相比之下，里纳说，“半机械人奥运会” 毫不掩饰地具有 “技术乌托邦” 色彩。它关乎技术与人类努力尽可能充分的协作。出于这个原因，参赛者不被称为运动员：他们是 “驾驶员”。例如，他们所驾驶的设备可能是假肢手臂、外骨骼或机器人助手。

里纳说：“我与残疾人一起工作了 30 多年，意识到辅助设备的不足。它们很昂贵，而且与我们的身体相比，它们的能力微不足道。” 他补充说，比赛的目的 “是推动更好的辅助技术的发展”。

在今年的技术中，有对瘫痪肌肉进行电刺激的系统、可以用口含器控制的机器人以及能实现 “驾驶员” 大脑与计算机直接通信的接口。在工程师和 “驾驶员” 进行最后的调整之际，让我们来看看 “半机械人奥运会” 的起源，并预览一下 2024 年的比赛。

“驾驶员” 们是顶尖高手

里纳在 2013 年萌生了举办 “半机械人奥运会” 的想法，其灵感来源于一篇报纸文章，内容是关于一个装有假肢的人参加了攀登芝加哥威利斯大厦的比赛。里纳想象着举办一场比赛，让许多残疾人能够在公众面前展示他们的能力。

所以他四处奔走，他说，在两年时间里参加了大约 30 场会议，谈论他的想法，最重要的是招募 “驾驶员”。“驾驶员是关键所在，” 里纳说。没有 “驾驶员”，就不会有这场赛事。

对 “驾驶员” 的强调凸显了里纳愿景的一个关键方面。在开发辅助设备时，这些设备的使用者往往在后期才参与进来，或者根本就没有参与。工程师和 “驾驶员” 应该相互学习，这似乎是显而易见的，但在假肢领域却并非总是如此。研究人员倾向于推动技术的前沿发展，而一个不那么复杂但更便于用户使用的设备实际上可能更有用。

相比之下，“半机械人奥运会” 是关于技术开发者与技术使用者之间的全面合作。最成功的团队通常是那些 “驾驶员” 对辅助设备的开发有发言权的团队。

首届 “半机械人奥运会” 于 2016 年在瑞士举行。有 66 支队伍参加，4600 名观众挤满了场馆，这场赛事超出了预期。“最大的惊喜是体育场馆里的情绪，” 里纳说。2020 年，由于新冠疫情迫使各队远程参赛且没有欢呼的人群，感觉大不相同。今年，“半机械人奥运会” 在瑞士再次以现场形式举行，尽管有些队伍是远程参赛。

2024 年 “半机械人奥运会” 由八项赛事组成。新的赛事包括辅助机器人比赛，在这项比赛中，“驾驶员” 从他们的轮椅上控制一个机器人助手。回归的比赛包括脑机接口（BCI）比赛，在这场比赛中，四肢瘫痪的 “驾驶员” 将仅用他们的思维引导一个动画化身通过障碍赛道，不允许有语音指令或身体动作。另一项是功能性电刺激（FES）自行车比赛，在这场比赛中，截瘫的参赛者骑自行车，他们腿部的肌肉由一个电子控制器激活。

体力耗尽

在功能性电刺激自行车比赛中，“驾驶员” 们必须在赛道上骑行半英里，这是首届 “半机械人奥运会” 的高潮，既凸显了参赛者的坚毅，也展现了将机器与人类融合的挑战。这项赛事以两人一组的形式进行，经常会有一名或两名骑手因为肌肉过于疲劳而完全停下来，然后再重新开始。

这种奇怪的结局是一个典型的例子，说明了为什么用机器增强人类能力是如此棘手。当肌肉被外部电信号触发时，首先响应的是快肌纤维，但它们也是最快疲劳的肌肉。这与你在长跑比赛中想要的完全相反，在长跑比赛中，你主要使用慢肌纤维，并将快肌纤维留作短时间的爆发。

那一年的获胜 “驾驶员” 是克利夫兰队的马克・穆恩，他是唯一一个在腿部植入电极的人。这些植入的电极并没有真正解决肌肉以错误顺序被激活的问题，但它们确实让他更好地控制了快肌纤维，而严格的训练计划则起到了其余的作用。

这场比赛也展示了辅助设备如何能够改变人们的生活。“我们所有的‘驾驶员’以前都锻炼过，” 凯斯西储大学和路易斯・斯托克斯克利夫兰退伍军人事务医疗中心的生物力学工程师罗纳德・特里奥洛说，他当年是克利夫兰队的技术负责人。但那些锻炼是在固定自行车上进行的 ——“很无聊，” 他说。“直到我们让他们骑上自行车，他们在地面上移动时，我们才看到对他们的幸福感有明显的影响。他们每个人都告诉我们，他们很欣赏在地面上骑行时获得的自由感。他们可以在自行车道上骑行，人们不知道他们是瘫痪的。他们只是说，‘好轮子。’

“比赛是达到目的的一种手段，” 特里奥洛补充说。“更多的是为了让‘驾驶员’能够发挥能力，而不是赢得金牌。”

令克利夫兰队失望的是，今年的功能性电刺激自行车比赛将使用固定自行车。这使得远程参赛者能够参加比赛，而且这是必要的，因为 “半机械人奥运会” 开始超出其体育场的容纳范围：为了容纳 80 支队伍参加八项比赛，组织者不得不牺牲赛道。没有了移动自行车的激励，克利夫兰队选择不捍卫他们 2016 年的金牌。

另一项比赛也有望带来一场激动人心的高科技与低（一些）科技的对决。脑机接口比赛将首次允许 “驾驶员” 在他们的大脑中植入电极。以前，“驾驶员” 配备的是脑电图设备，传统上是一个带有电极接触头皮并通过电线连接到计算机的头罩。来自匹兹堡大学的匹兹堡队将是第一个使用植入电极参赛的队伍。

匹兹堡队的 “驾驶员” 菲利普・麦肯齐正在为脑机接口挑战进行练习。植入的电极记录他大脑中运动神经元的活动，计算机利用这些信号在左边的电脑屏幕上移动麦肯齐的化身。

植入式设备和脑电图设备的工作原理相同。当一个人想象移动肢体时，运动皮层中的一些神经元会放电，就好像他们真的在进行那个动作一样。（即使这个人瘫痪了也是如此。）理论上，计算机可以从耳机或植入物记录的大脑电脉冲中读取 “驾驶员” 的意图。在脑机接口比赛中，这些信号将用于引导虚拟化身通过障碍赛道或一系列任务。

与脑电图相比，植入物可以提供更大的控制、速度和准确性。脑电图耳机只有在大脑信号穿过最多四毫米的脑组织和作为电绝缘体的头骨后才能接收到信号。这个信号不仅被削弱，而且还被数百万其他神经元的嘈杂声所掩盖，这些神经元对 “驾驶员” 碰巧正在思考或感知的其他任何事情做出反应。如果 “驾驶员” 饿了，他们运动神经元发出的 “转弯” 信号可能会被 “我饿了” 的信号声淹没。“驾驶员” 需要时间和练习来学会如何抑制这种不想要的想法。

相比之下，植入式电极可以直接放置在运动皮层旁边，并且只能窃听那些神经元的活动。这就像给歌手一个麦克风，而不是试图在观众的嘈杂声中听到她未放大的声音。

植入方法也有缺点 —— 首要的就是脑部手术。匹兹堡队的 “驾驶员” 菲利普・麦肯齐的大脑中植入了两个运动阵列，每个都有铅笔橡皮擦那么大，有 100 个电极尖端，深入大脑一毫米半。麦肯齐并不是专门为了 “半机械人奥运会” 而植入这些设备的；他和康复神经工程实验室的另外两名四肢瘫痪患者分别在一、三、九年前接受了植入。

“这些是长期项目，” 匹兹堡队的经理塞西尔・韦尔巴肖特说，她在 2016 年的 “半机械人奥运会” 中作为荷兰队的学生助理开始从事脑机接口的工作。“参与者每周来实验室两到三天，你真的会了解他们。”

“半机械人奥运会” 的其他队伍将继续使用较低技术水平的脑电图方法。匹兹堡队很可能会面临来自由英国巴斯大学的达米安・科伊尔领导、欧文・科伦布担任 “驾驶员” 的 NeuroCONCISE 队的激烈竞争。这两人参加了每一届 “半机械人奥运会”，使用外部电极参赛，并且多年来一直在稳步提高。科伦布在 2 月份的一场脑机接口热身赛中获胜。

脑机接口比赛将包括几个障碍，包括在布置好的房间中导航以及前面提到的制冰机挑战。“他们想出的任务确实经过了深思熟虑，” 韦尔巴肖特说。在过去的几年里，脑机接口比赛通常包括抓取和转动等任务，但不包括静止握住一个物体。“挑战在于，对于脑机接口来说，什么都不做非常困难，” 韦尔巴肖特说。

两位技术负责人都对比赛结果持谨慎态度。匹兹堡队的韦尔巴肖特说：“我觉得很难评估我们会表现如何。”NeuroCONCISE 队的科伊尔向他的对手点头示意：“如果（匹兹堡队的）系统在当天可靠运行，那么他们就有极大的优势。”

NeuroCONCISE 队的 “驾驶员” 科伦布则没有那么沉默。“我去那里是期望获胜，而不是得第二名，” 他说。“我不只是去参与。”

准备，启动 ！—— 机器人

今年的新比赛之一 —— 辅助机器人比赛，将有使用轮椅且上肢严重受损的 “驾驶员” 参加。他们将控制一个机器人执行真实（而非虚拟）的任务，例如从邮箱中取出包裹、为 “驾驶员” 刷牙以及挂上围巾。这类设备刚刚开始商业化，它们通常涉及将一个机械臂连接到轮椅上。但这种解决方案有局限性：机械臂会增加轮椅的实际重量，并从轮椅的马达中消耗能量。

由苏黎世联邦理工学院机器人系统实验室（RSL）的卡门・沙伊德曼和安德烈・克拉马里乌克领导的一个团队正在尝试一种令人兴奋的新方法。“据我们所知，我们的系统是第一个为行动受限人群提出的行走式机器人个人护理助手，” 沙伊德曼、克拉马里乌克和机器人系统实验室负责人马尔科・胡特在今年早些时候写道。这个助手名为 ANYmal，用四条腿行走，最初是由胡特开发的。现在它由 ANYbotics 制造用于工业应用 —— 例如，在石油平台上进行检查。

该团队还为机器人开发了一个专门设计的手臂来执行手动任务。“驾驶员” 可以用一个基于呼吸的操纵杆来操纵机器人，或者 “驾驶员” 可以使用相同的接口命令机器人自主执行任务。

机器人系统实验室的 “驾驶员” 是塞缪尔・孔茨，他本人也是一名机械工程师，十年前在一次游泳事故中瘫痪。在 2 月份，他赢得了一场热身比赛，在两轮比赛中他是唯一完成所有四项任务的参赛者。孔茨和 ANYmal 是本月比赛的热门选手，这次比赛将挑战各队完成十项任务。

2024 年 “半机械人奥运会” 上展示的一些技术，如手臂和腿部假肢，已经很成熟并且已经被广泛使用。但对于其他技术来说，“半机械人奥运会” 是新想法的试验场。这个赛事在过去已经催生了新产品：例如，瑞士初创公司 Scewo 背后的人开发了一种爬楼梯轮椅，现在称为 BRO，用于 “半机械人奥运会”，Scewo 的一位发言人说他们此后已经售出了 “远远超过 200 台”。

尽管充满热情，但 “半机械人奥运会” 的未来远未确定。里纳说，获得资金很有挑战性。“我们没有一个庞大的社区。”2028 年的赛事还没有完全获得资金。但如果事情如他所希望的那样发展，这个赛事可能会超越其瑞士的根基，像另一项奥运会一样在不同地方举办。“目标是，我们能够持续很长时间。”

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