残疾人将利用机器人技术参加首届半机械人奥运会。
迈克尔•麦克莱伦（MichaelMcClellan）向我竖起了大拇指，此时他正骑着斜躺式三轮车飞驰而过，他呼吸急促，但墨镜后露出灿烂的笑容。在克利夫兰一个绿树成荫的公园内，麦克莱伦正沿着环绕公园的小路骑行；路上遇见一群上班族正享受着露天午餐及6月的温暖阳光，他们吃着三明治，并未注意到这个骑三轮车的人有什么特别。他们不知道麦克莱伦腰部以下瘫痪，在他们眼前发生的是一个奇迹。这是世界上首批半机械人自行车选手之一的一堂训练课。
麦克莱伦正在备战将于2016年10月在苏黎世举办的人机体育大赛（Cybathlon），即首届半机械人奥林匹克运动会。比赛中，选手们将利用先进的技术来弥补瘫痪和截肢等残疾。例如，在自行车赛中，高位截瘫的选手们将利用电刺激系统来促使自己瘫痪的双腿行动起来；电极和肌肉协同工作，实现蹬踏，让三轮车前行。
诚然，残奥会已为残疾运动员提供了一个展示自我的舞台，但Cybathlon组织者、瑞士苏黎世联邦理工学院的教授罗伯特•里纳（RobertRiener）解释说，Cybathlon的规则和目标是不同的。残奥会禁止使用机械化设备，但Cybathlon鼓励这样做。
里纳解释说：“Cybathlon更为看重的是对身体和装置的控制，而不是个人的力量和速度。”半机械人的各项比赛要展示的是人机合作的力量和智慧，而不是人体依靠自身力量的运动。这也是为什么Cybathlon的竞赛选手被称为“操作者（pilot）”，而不是“运动员”。每个参赛团队由一个技术小组和一位操作者组成，如果该队获奖，技术小组和操作者都会获得表彰。
里纳任职于苏黎世联邦理工学院的感知及运动系统实验室，主要负责研发机器人康复系统，他说，组织举办Cybathlon的想法源于他对目前可供残疾人使用的辅助技术的失望。他说：“这些辅助技术大多对患者助益不大。”例如，在手臂截肢的群体中，只有四分之一的人使用假肢，因为假肢并不适用于日常生活中的常规工作。
里纳请来学术界和业界的工程师们为Cybathlon开发新技术，并且培训操作者，希望以此来激励创新。为了确保所开发的装置在竞技场外也能发挥作用，Cybathlon赛事将结合日常生活中的常规任务。比赛中，佩戴腿部动力假肢的操作者需要爬楼梯，穿过石子路。在超越障碍赛事中，佩戴臂部假肢的截肢者们需要完成切面包片、打开果酱瓶等制作早餐的日常程序。这些任务如果只用单手操作，是非常困难的。
预期参加Cybathlon的80支队伍将从世界各地赶赴苏黎世。英国广播公司（BBC）和日本放送协会（NHK）等主要媒体网络将对赛事进行报道。如果运动会一炮打响并广受欢迎，那么下一届Cybathlon将可能与2020年夏季奥运会一起在东京举行。
不妨默想片刻。这项全球首创的体育赛事不仅包括马拉松、400米自由泳和跳高，还会包括拧掉果酱瓶盖和爬楼梯等项目。在Cybathlon，这些看似平凡的“壮举”将得到重新认识：它们是工程设计、技术熟练程度和人类坚毅品质的非比寻常的综合体现。
“我喜欢飞驰的感觉。”麦克莱伦呼吸急促地说，在绕着公园骑行几圈后，他大口地喘着粗气。他解释说：“这也是我现在愿意使用轮椅的原因。”
2009年，麦克莱伦在墨西哥骑着越野摩托车在路上驰骋，却没有注意到前方的一道横沟。摩托车撞到沟壁上，他的身体在冲击下撞向车座，造成他后腰处脊椎骨折。麦克莱伦说，脊骨碎片插入脊髓，就像“一根软管打了个结”一样。他的双腿没有受伤，但大脑的动作指令无法通过受损的脊髓神经传达到腿部。
那么，这位瘫痪者如何能够骑行穿过克利夫兰的公园呢？答案来自街对面的路易斯•斯托克斯•克利夫兰退伍军人医疗中心内的实验室。在那里，神经工程师罗纳德•特寥洛（RonaldTriolo）负责运营管理一个高级平台技术中心（他也是附近的凯斯西储大学的教授）。特寥洛使用了一种被称为功能性电刺激（FES）的技术来帮助脊髓损伤的患者。这种技术利用电脉冲激活腿部神经，控制原本处于休眠状态的肌肉。这些刺激会大致模拟那些本应由大脑发出并通过脊髓传达到外围神经的电信号。
许多康复诊所都配有简单的FES系统，可将表面电极贴在使用者的腿部，发射电脉冲，使其沿大致正确的方向穿过皮肉，并微弱地刺激神经。但是，这种方案无法提供精确的控制，因此，特寥洛率先使用了电极“套囊”，这些套囊通过手术植入患者体内，并环绕在神经周围。
每个微型硅胶套囊有4个嵌入式铂触点，这些触点用于触及神经束表面上的不同位置，从而在错综复杂的神经网络中刺激特定神经纤维。电流通过连接到植入腹内的脉冲发生器的细导线到达电极。特寥洛在计算机中设计刺激模式，并通过无线传输将指令发送给脉冲发生器。他说：“对时间控制和刺激模式进行的所有调整均在软件中完成，因此无须更换植入部件。”外部设备可以通过射频发射能量，为脉冲发生器充电，因此也无须更换电池。
经过20年的反复实验，特寥洛所开发的刺激模式可以使截瘫患者做抬腿动作、从轮椅上站起、靠双腿支撑身体保持站立，甚至依靠学步车慢慢前行并保持平衡。他正在研究具备更多嵌入式触点的神经套囊，利用更多的触点可以编写更复杂的刺激模式。他的最终目标是让像麦克莱伦这样的人恢复正常的行走能力。
2011年，麦克莱伦在加州他家附近的一个康复诊所里，从一个朋友那听说了特寥洛的实验，立即主动请缨。他说：“我没有任何犹豫，立刻就决定参与。”经过11个小时的手术，医生在他的腿部和臀部植入了10个电极：在两个股神经处各形成一个套囊，从而控制股四头肌中离散的肌纤维；8个较简单的单触电极，以激活臀肌及腿腱神经。历经半年的康复治疗后，麦克莱伦回到克利夫兰，首次启动刺激器。
他并没有马上站起来；首先，物理治疗师让他进行了为期8周的艰苦的力量训练。他躺在床上几个小时，让刺激器刺激他的神经，使其双腿抬起，吊到空中。虽然麦克莱伦的肌肉是由外部而不是大脑产生的脉冲而触发的，但结果是相同的，都是使肌肉质量增加。训练间隙，工程师对其测试不同的刺激模式，试验不同电流量和电脉冲时间的影响。而后，他们设计了带有按钮的小型外部控制器，每个按钮可触发一种特定运动的刺激模式，例如抬起左腿或从轮椅上站起。
最后，医生和工程师们一致认为他已经作好了站起来的准备。整个团队聚集在康复室，麦克莱伦按下“站立”按钮，他瘫痪的双腿站了起来。当被问到如何形容那一刻时，麦克莱伦停顿了一下。
最后他说：“你见过一条狗舒展它的前爪吗？你看到时就会想：‘这感觉应该不错’。”那些看着他伸展近两米（1.93米）的躯体的研究者们一定也是这么想的。
特寥洛原本并不认为Cybathlon是个好创意。他当时想：“我们真正需要的是合作和国际组织间的协作，而不是竞争。”但他很快就又考虑到，这类赛事能够利用友好竞争的精神将研究人员们聚集在一起，推动技术发展。自行车比赛激起了他的兴趣，他问几个研究志愿者（包括麦克莱伦）是否愿意帮助他改造刺激系统，使其适用于自行车比赛；并开始着手研究新的刺激模式，使瘫痪的自行车选手的腿部肌肉能够推动自行车踏板。
初夏，在绿树成荫的克利夫兰公园的训练课程中，重新装备的系统首次试用。此前，工程师们和麦克莱伦已经花了几个小时在实验室中的固定自行车上微调刺激模式。但在公园里，他们发现当前的装置仍存在局限。
上坡时，三轮车自然减速，但作用在两腿肌肉的刺激脉冲时间设置却没有变化。这是一个问题，因为麦克莱伦与车子不再同步，他的腿部肌肉在错误的循环点上推动踏板。麦克莱伦试图通过他自身可以控制的少许臀部肌肉加以平衡，使其能在适当的时刻踩下踏板。他说，他试图拉动髋关节，“将踏板恰好带动至12点位置，为下一次踩踏冲力作好准备”。
特寥洛计划改善麦克莱伦的肌肉收缩对轮转力的作用。他会利用接下来的几个月在脚踏板上安装位置传感器，将踏板的位置信息传到麦克莱伦的植入脉冲发生器，在踏板就位的每个瞬间传递相应信号。特寥洛说：“诀窍就在于让技术和生物学作为统一的整体协同工作。”
虽然，作为操作者，麦克莱伦的首要任务是按动控制器上触发骑行刺激模式的按钮，但这还不够。他的肌肉必须应对电刺激，完成实际动作，如果肌肉状态不佳，他的表现会迅速下滑。特寥洛说，一旦肌肉开始疲劳，即使刺激神经，后力也会不足。
为了提高强度和耐力，麦克莱伦将继续在健身房做抬腿运动，他还希望能有一辆斜躺式三轮车可以让自己在社区练习。他积极训练，并非只为了Cybathlon。他还想着他的未来，并梦想着有一天人们能发明出可以修复受损脊髓神经的干细胞疗法。目前，这种治疗方法还处于实验阶段，但麦克莱伦打算先让自己强健起来，以便在今后技术成熟时从中获益。他说：“我想拥有健康的肌肉，良好的骨密度，这样新疗法一出现我就可以参与了。”
到10月，如果训练一切顺利的话，麦克莱伦的肌肉会更加健康，那么他就能出现在苏黎世的750米赛道上。如果他的身体和技术协同配合，并第一个冲到终点，他还有一件事要做。他会按下控制器上的“站立”按钮，站起来接受金牌。
站在领奖台上的他或许会成为一个现代化的奇迹，但麦克莱伦说，他想做的远不止“成为半机械人奥运会选手”那么简单。他说：“我之所以有这样的热情，就是因为我意识到好戏才刚刚开始。”
作者：Eliza Strickland