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你翻身,你起床,「智慧床墊感應模組」都知道

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/10 ・1464字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

文 / 陸子鈞
動態圖表 / 林慧秋、林忠衡

長輩在夜間下床如廁,因為光線昏暗或者無人陪同而發生跌倒意外時有所聞。由工研院研發的「智慧床墊感應模組」,能精確感測臥床長輩的動作,當長輩夜間下床時發出訊號通知照護者,或者打開走廊的燈光,避免跌倒意外發生。

照護機構的意外中,超過六成是離床後發生,為了解決這個問題,工研院南分院雲端服務中心的研發經理黃永慶博士提到,一些機構嘗試舖一張壓感地毯在床邊,只要長輩一離床踩到,就發出通知給照護者,「可是長輩都很怕麻煩別人,所以他們後來都會跨過地毯,也就沒辦法感測到離床了。」床墊感測雖然可以避免這問題,但是要藉由床墊感測離床並沒有這麼容易。

工研院南分院雲端服務中心的研發經理黃永慶博士。
工研院南分院雲端服務中心的研發經理黃永慶博士。

研究團隊一開始設計的感測床墊,只有當臥床的長輩下床才能感測得到,當照護人員收到通知前往,長輩通常已經下床走動了。此外,黃永慶博士補充道,「床墊感測訊號也只有『0或1』,沒辦法辨別翻身或者更複雜的動作,不是很實用。」後來,研究團隊以觸控式螢幕使用的「電容導電感應」,取代原先的壓感感應,即使隔著很厚的被單或者衣物,也能感測!

而且「智慧床墊感應模組」能夠根據感測點受壓力的位置與數量,判斷臥床者的多種動作,避免系統將翻身誤判成離床;在實際應用的情境,臥床長輩在離床前會先坐在床緣,感應器受到壓力的位置絕對和躺臥不同,此時發出訊號通知,照護者就能在長輩離床前及時趕到。

為了要讓智慧床墊感應技術更加實用,研究團隊將感應器模組化,如果照護機構的床鋪較大,只要多增加感應器模組的數量即可,而且不必擔心組裝錯誤影響功能,黃永慶說:「為了讓沒有資通訊技術背景的照護人員也可以順利組裝,我們特別設計讓模組在開機之後都會先自動組態,知道各偵測器的位置。」感應器的訊號會透過無線模組傳輸到接收器,省去佈線的麻煩,對擁有數十張甚至上百張床的照護中心來說非常方便。

模組化的設計,圓型的電路就是「電容導電感應」,可視床墊大小加裝感應列。
模組化的設計,圓型的電路就是「電容導電感應」,可視床墊大小加裝感應列。
無線模組,可以將感應訊號傳送到接收基地台。
無線模組,可以將感應訊號傳送到接收基地台。

這套系統因為能判斷臥床長輩的確切動作,所以還能看出夜晚翻身的次數是否有改變,作為睡眠品質依據。黃永慶分享,其中有一家照護機構試用了這套系統,發現一位老先生某天晚上翻身很頻繁,起初以為是系統出了問題,後來才知道「原來是老先生的家人隔天要來探望他,影響他的心情所以睡不好。」系統雖然精準,但是照護還是得回歸到人與人之間的關係。

研發團隊
研發團隊

目前這套系統已經在20家照護機構示範安裝,也將相關技術轉移給器材製造商及網路服務業者。台灣現有機構照護床數超過9萬床,加上高齡化趨勢,這套技術很具市場潛力。研究團隊目前正試圖將感應模組以導電塗料或者導電纖維取代,直接製成「感應床單」,可水洗的特性會讓照護機構更方便使用。不僅是照護領域,未來「智慧床墊感應模組」還能應用到智慧生活中,像是起身之後自動開啟臥室夜燈,或者翻身頻繁時系統自動調整空調。


w-560

更多資訊請參考解密科技寶藏

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
81 篇文章 ・ 1 位粉絲
由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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少子加高齡,「這代」最不幸?
鄭國威 Portnoy_96
・2022/01/28 ・4563字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

YouTuber Iku 老師這支談論台灣少子化原因的新熱門影片,以及底下清一色支持的留言,你看過了嗎?

在影片裡,Iku 老師把台灣少子化的原因歸咎於「房價」,想必是很多人的心聲,起碼在底下留言的人都這麼說。然而我想趁著這機會,補充一點不討喜的個人意見。

看人口數字是我的興趣。每個月月中,我總是迫不及待到內政部戶政司,下載上個月的戶籍人口統計速報來閱讀。這些數據就像預知未來的水晶球,非常準確,有憑有據。

這個興趣,受到台灣越來越多關於少子高齡化的討論(例如 IKU 老師這則影片、或這類 PTT 文),以及《真確》作者漢斯・羅斯林(Hans Rosling)的論述所刺激,而漸漸養成。

例如他在 2010 年時的這則 TED 演講中,他以每個 IKEA 的箱子比喻 10 億人口,表示若能讓生活條件處於全球最低的 25% 人口的兒童存活率跟教育水準提升,全球總人口有望控制在 90 億人,利於永續發展。

他在另一場精彩的 2015 年演講以及《真確》一書中則是預測全球人口最高峰不會超過 110 億,而且根據聯合國數據,全球兒童的數量在 2000 年前便已經達頂。每年全球新生兒數量最高為 2014 年的 1 億 4000 萬,一段時間後開始下降。趨勢是亞洲的兒童數量下降,非洲的兒童數量上升,美洲跟歐洲則大致持平;全球人口增長至 110 億的原因,主要來自於非洲跟亞洲的高齡人口,而非新生兒。演講還有很多精彩亮點,就留給各位自己觀看了。

引用漢斯羅斯林在演講中說的一段話:

「當非洲最窮困人口依舊看著孩子早夭、村子沒學校、需要小孩幫忙工作,他們就不會用避孕措施。(諾貝爾和平獎得主)馬拉拉說她們因為得工作養家沒去上學。當狀況是這樣,他們就會要多生孩子……」「……有些男人會自豪於有 7個、8個、9個小孩,而不是孩子過得好不好…這是陳舊父權思考。男人應該為自己的孩子過得如何、生活是否開心而自豪。這就是我引以為傲的。」

截圖取自 Why the world population won’t exceed 11 billion

過去:回歸現象起點——1976-85 的回聲嬰兒潮

我今年 40 歲,根據內政部戶政司的統計,與我一樣在 1981 年出生的有 41.5 萬人,作為比較,去年 2021 年的出生人口只有 15.3 萬,較 40 年前少了 63% 的新生兒。然而這不是一天造成的,台灣的兒童人口(0-14 歲)早在 1972 年就達到峰值 583.3 萬人,之後再也沒有超過。2021 年的台灣兒童人口是 289 萬人,不到峰值的一半,是幾十年前就註定的結果。

就像眾多遊客湧向特定景點,創造了消費,蓋起了旅館跟遊樂園,但也留下大堆垃圾跟難以收拾的環境破壞。我們這一代(1981上下五年出生,六年級後段跟七年級前段班)的人太多了,有如在時間線上冒出一大批不守規矩的遊客,若照美國的用語,我們這代人就是「回聲嬰兒潮世代(Echo Boomers)」,指的是嬰兒潮世代的孩子,如今是人數最龐大的一個世代。

以下列出這波回聲嬰兒潮的出生人數(根據內政部戶政司)
民國 65 年 (1976) 年:425,886
民國 66 年 (1977) 年:395,260
民國 67 年 (1978) 年:413,270
民國 68 年 (1979) 年:423,266
民國 69 年 (1980) 年:413,177
民國 70 年 (1981) 年:415,808
民國 71 年 (1982) 年:403,143
民國 72 年 (1983) 年:382,313
民國 73 年 (1984) 年:370,078
民國 74 年 (1985) 年:344,101

從人口金字塔也可以看得很清楚,我們這代人就是中間突出的那幾根橫槓。

截圖取自國發會人口推估統計查詢系統


比起我們的上一代,我們這代兒童死亡率更低、受教育時間更長、平均壽命(應該)也會更長。所以我們這些橫槓會持續往上、老去,壓著下面的世代。

我們這代人數量之多,成長到了一個年齡段,就在那個時間創造出新的社會問題;但是,我們一離開該年齡段,原本為了解決問題而趕工出來的設施、做法、人力,又突然沒足夠多的人用了,變成另一堆問題。

例如廣設大學就是一個例子。對我的上一代(1940-1960初 出生)來說,念大學是超級窄門,學習壓力非常大,社會階級流動機會少,所以他們決定廣設大學。到了我這一代,想念大學簡單多了。但我們這波過了之後,大學就變得太多了,知識更是爆炸到大學無法負荷,多到讓這個體制的存在價值不再明顯,只好透過 USR(大學社會責任)來證明自己。

(注意:我不是說知識、教育、或教授失去存在價值,而是傳統的「大學」體制。)

我們這一代的人太多了,其中很多離開家鄉到都市念大學。受教育的時間繼續延長、加上離家東南西北漂、大多在高消費的都市工作、娛樂、學習。由兩、三人組成的核心家庭戶數快速增加,都會住房的需求大增,結婚生育的動機則大減。同時地方偏鄉逐漸凋敝,也才有了「地方創生」的口號跟需要。

未來:當回聲嬰兒潮變成老人潮——老齡化最嚴重的時期

接下來,由於醫療持續進步,我們這代人(1980 年前後出生)不需要特別幸運,都還會活上好幾十年,而現在在談的「未來老齡化最嚴重的時期」,就是我們這一代變老造成的。

以數據來說,根據國發會人口推估查詢系統,到了 2050 年,也就是我 68 歲的時候,台灣 65 歲以上人口將達 745 萬人,這是台灣有史以來 65 歲以上人口最高的數字,佔總人口的比例推估是 36.6%。

過了 2050 年,65 歲以上人口數就開始下降,但佔總人口的比例將持續增加,最高將在 2069 年達到 41.8%,那時我如果還活著,已是行將就木的 87 歲。如果現在我們覺得台灣醫療跟長照的壓力已經很重,到時候更難以想像,因為台灣仰賴的東南亞國家年輕人力也已老去、新生的年輕人力自己國內都不夠用。

那時候的我就是壓力本身。但只要我們這一代過世,壓力又會迅速減低。可以想像到時許多醫療跟長照的設施會面臨如現在學校一樣的問題——當然,前提是社會真的願意投入那麼多資源在我們這些老人身上。

現況:正值壯年的回聲嬰兒潮,該為下一代留下適合生存的世界

根據教育部統計處 2019 年的「大專院校大學1年級學生人數預測分析報告」,今年(2022)年入學的大學生將跌破 20 萬,約為 19.3 萬人,其中技職體系佔 10.2 萬人,一般體系佔 9.1 萬人。然後大概起起伏伏到 2034 年。按照人口推估,之後大學新生會快速下探到 14 萬以下。對非常多新進的大學老師來說,從現在起算的職涯年限會短於 15 年,更別說許多人根本就沒有辦法取得教職。跟我同一代念到博士的,極少能在大學卡位取得正式教職,大學生跟教授的年紀差距繼續拉大。

資料來源/教育部統計處

除了大學近乎徒勞無功地往高中搶越來越少的學生、到國外招生(甚至搞出這類情事),產業也往大學搶人才,例如產學合作、預定就職、甚至與產業合辦學院。然而半導體以外,台灣政府規劃發展的六大核心戰略產業都需要人才,但光是半導體就把大部分的人吸走了,讓其他產業叫苦連天,包括一般服務業。更何況這六個戰略產業也不只台灣要發展,每個國家都在發展,都在搶人,迎來大招募時代

再者,已經很嚴重的生態破壞、垃圾污染、能源問題,基本上都是我們這一代人過度消費造成的。例如過去 40 年人類產生出的碳排放比 1750 年工業革命後兩百年加起來還多。相較於我們這一代,上一代人曾經窮過,沒有那麼浪費資源,而下一代人則沒有那麼多人,也不像我們這代那麼浪費。綜合上述,我想強調的就是:我們這代人的問題,就是我們自己。

全球平均每月二氧化碳濃度趨勢圖。資料來源/美國全球變遷研究計畫

而我認為,我們這代人在認清自己就是問題之後,該努力扮演問題以外的角色。我們如今 40 歲上下,正式承接臺灣社會骨幹、不管在政治、經濟、文化各領域都開始獲得當家實權,我們必須從「問題」變成「問題解決者」,把自己這代人造成的問題自己解決掉。

少子化,也許是另一種解決方案

我曾在另一篇評論裡寫過,我不把台灣人生育率低看作壞事或好事,而是視為一個機會,這其實也受漢斯羅斯林「可能性主義者」的態度所影響。我在該文的重點有二:

  1. 即使各種讓生育率下降的因素,如房價、工時、養育成本、性別分工都逐漸減少、降低、消失,台灣的生育率不會回漲多少。全球 131 個國家的總和生育率在 2.1 以下,未達世代更替水平,連孟加拉、印尼、越南都已經低於 2.1。
  2. 我們這代人太多了,消費資源的方式過劇,台灣的環境承載不了。但我們沒有動用強制且不人道的方式降低人口壓力,如漫威電影裡的薩諾斯、《進擊的巨人》裡的吉克、或是現實世界的中國,而是接近自願的減少生育。這是我們這代人少有的好抉擇。

我們這代人必須做出更多好抉擇。2050 年的時候,如果台灣的民主制度仍在,還是一人一票,那麼跟我一樣 60-70 歲的人可以用票數輾壓一切決策。

如果我們不現在就改變認知與態度,不認清台灣所有重大問題的根源就是我們自己,依舊只為了我們這人數過多一代的爆量需求設想、抱怨,那未來的年輕人肯定會恨死我們這些老人,因為「民主」對他們來說將一點意義都沒有,他們將放棄參與,更不抱持任何進步的希望。

我們這一代需要趁現在解決我們造成的問題,不然這些問題就會解決我們。不用擔心到時的年輕人會把我們老人扛到深山丟棄,他們人手不夠、自顧不暇。

如果我們這一代人想留下什麼 Legacy,只剩下 10 年左右的時間。若拖到 20 年,我們就太老了,更何況我們這代因為人數過多,必須要比上一代更早把實權交棒給下一代——起碼我們當中一大部分人得知道這件事有多重要,並且真的這麼做。

我只有一個女兒,她跟我差 30 歲。我希望當她這一代人到我現在這個年紀的時候,不會陷入愁雲慘霧,對我跟我這代 (老) 人充滿無盡怨懟,只因我們以前什麼都沒做。

我認為,我們是幸運的一代,因為我們有機會做出巨大的貢獻。我們比我們上一代有餘裕思考未來,也比我們下一代有改變未來的迴轉空間。科學、教育、人才都是泛科學的守備範圍,也是改變未來重要的關鍵。針對這三大主題,去連結這一代最厲害、最有心的專家夥伴,留下一個更好的台灣給下一代,是我未來 10 年打算做的事,因為沒有別的更重要的事了。

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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 759 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

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讓機器人成爲長照復健的得力「助手」!──清大動機張禎元專訪
科技大觀園_96
・2021/05/05 ・4519字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

2025 年,台灣將步入超高齡社會,65 歲以上的老年人口將佔總人口的 20% 以上,未來醫療照護的需求只會越來越多,而其中復健更是費時且勞力密集的工作。近幾年來自動化機器人投入工業市場,除了可以代替人類處理高危險或繁瑣的工作,也成功使勞動成本下降。如果想將機器人投入到醫療照護方面,機器人勢必要學會更靈活細緻的動作。

清華大學動力機械工程學系的張禎元特聘教授是美國卡內基美隆大學機械工程博士,並曾任職於美國 IBM,專長是精密機電整合與穿戴式復健機器人等。在科技部「客製化機器人輔助手掌(指)開合物理復健輔具系統開發」的邀請下,與任職於長庚醫院復健科醫師的小學同學裴育晟醫師合作,設計幫助中風患者手部復健的穿戴式機器手。張禎元教授所帶領的機器人實驗室(Vibrations, Mechatronics & Robotics Laboratories)結合人工智慧、醫學與人因工程,研發出有視覺、觸覺且動作跟人一樣流暢的機器手臂。 

隨著台灣步入超高齡社會,長照的需求大增,該如何解決年輕勞動力不足的問題是一大考驗。圖/Pixabay

衛福部於 108 年發布了國人十大死因報告,中風排在了第四名。中風後常常伴隨著肢體僵硬、手指緊握的症狀,是因為大腦失去對脊髓神經的控制能力,使脊髓神經變得非常敏感,常常傳遞訊號使肌肉張力過高。這時復健治療就很重要,透過重複活動來保持肌肉、韌帶的彈性,協助神經受損部位恢復正常功能。

給予復健治療的醫療人員必須把病患十根手指一根一根掰開再合上,不停地重複同樣的動作,是費時且勞力密集的工作。不僅對將步入高齡化社會的台灣是個沈重的負擔,也無法保證每一次治療的拉伸動作都一致,更無法精確紀錄病患各個關節的復原程度。

像是穿上鋼鐵人盔甲一樣──鏡像手

張禎元教授受到科技部「客製化機器人輔助手掌 (指) 開合物理復健輔具系統開發」的邀請,設立醫療照護服務型機器人專案,將人工智慧、醫學、生物力學與人因工程做結合,研發出主動型復健機器手。在科技部的輔導下,張禎元教授的穿戴型機器手技術轉移給富伯生醫公司,經研發改良,讓復健用的「鏡像手」得以成功面市!

不同於以往線拉力的大型復健儀器,「鏡像手」僅 650 公克,能使治療擺脫場地的限制,像是穿上外骨骼一樣,訓練對真實物件的抓握、實施鏡像治療,並同時透過線張力紀錄患者手部各個關節在活動時的鬆緊程度、角度,建立資料庫。療程中收集的數據可以分析出專屬的數位復健療程,再透過精準的機器人復健,加快病患的神經連結。

由健康的右手做動作帶動左手患側復健,體型輕便,進行復健時可以與真實物體做互動。因為患者手部非常僵硬,研究團隊特別諮詢過醫生,對復健運動速度減慢避免拉傷,並將肌肉張力評估(MAS)控制在1 ~ 1+。圖/泛科學攝影

什麼是鏡像治療(Mirror therapy)

中風患者中有一大部分有半邊癱瘓的困擾,鏡像治療是將患側手放置於鏡後、健側手放置於鏡前,看著健側手在鏡子反射的影像想像患側手正在執行相同的動作。由鏡子反射的健側手影像刺激大腦中的前運動皮質區(premotor cortex)的活化,來促使患側手恢復肢體動作。

目前已經有多篇臨床論文證明鏡像治療能有效幫助肢體失能的中風患者增加關節活動程度和精確性。圖/wikipedia

「鏡像手」已於 2019 年成功拿到美國 FDA 認證,未來教授的實驗團隊想將上臂也做出來,全面的走入長照生活,像是家中老人需要彎腰提重物時,就可以穿上這套「鋼鐵人盔甲」,由機器人幫忙出力減少負擔;又或者長者手部控制不夠靈敏,拿菜刀不小心鬆開手時,機器手臂也能幫忙及時握緊減少危險發生。

機器人也可以是溫柔的紳士

早期的機器人大多應用在工業製造方面,主要追求快速、準確的執行命令,如果想將機器人投入到醫療照護方面,機器人勢必要學會更靈活細緻的動作。張禎元教授的團隊研發了一款更貼近人類的機器人──清華紳士,與其他機器手臂最大不同的是,清華紳士除了配有靈活度更高的七軸手臂能讓機器手臂折到人類無法伸到的角度,還有立體動態視覺、觸覺和軟硬兩隻手臂。 

清華紳士的頭部配有鏡頭,視覺輸入影像之後透過人工智慧、數學運算來辨識物體品項和距離,讓手臂動作更加精確。圖/泛科學攝影

清華紳士可以依靠手指上的三維壓力感測器偵測所抓物體的壓力方向,就像我們的手上有觸覺神經一樣。對人類來說,感受東西的軟硬程度是極其簡單的事情,但對機器人來說可能不是。像是拿包子這種軟軟的東西時,人類會自然而然放輕動作,傳統機器手臂就容易因為力道過大把包子捏扁,張禎元教授的清華紳士可以根據指尖上的感測器偵測到的回饋力道放輕手指收攏的速度,應用在醫療照護方面時就能避免力道過大誤傷病患。

清華紳士配有兩隻手臂,可以依照使用需求裝上軟手或硬手,雖然能比工業用單一手臂做更多任務,但對設計者來說是一大考驗。像是在端盤子時,一隻手的時候只要平平的拿起來就好,兩隻手的時候就要配有協調、感知的能力,互相配合才不會傾向其中一邊,張禎元教授覺得這就是研發機器人的樂趣所在。

指尖的感測器能取得力量在x、y、z三軸的大小,實現人類的觸覺感受。圖/泛科學攝影

張禎元教授認為在設計機器人時應該更貼近人類,讓機器人也能使用人類的工具,不應該特地發明一系列「機器人專用工具」。以往在使用機器手臂時,操作員要先幫機器人換上專屬工具,再針對目標任務為每個關節分別輸入指令,耗時又耗力。有別於傳統機器手臂,清華紳士的手會在接觸物體的同時配合物體的輪廓自然而然的彎曲手指。想像小時候我們常常玩的捲尺手環,不論你的手腕粗細,只要往手腕一打,捲尺手環都能沿著你的手腕包覆。清華紳士的手也是同樣的道理,透過人工智慧和工程的技術整合,清華紳士就能跟人一樣,碰到物件的同時自動調正出最適合的拿法。

機器手臂能根據物體的輪廓自動調節每個關節角度來抓取物體。圖/泛科學攝影

傳統機器手臂給人的印象大多是堅硬的、一板一眼的,清華紳士的軟手臂採用氣壓傳動的方式,能更貼近人類的手部動作,溫柔地抓取物體。硬的手可以用感測器得到每一個關節的轉動角度數據,軟的手因為在三維空間中會隨意地移動,所以沒辦法裝上可變電阻偵測角度的轉動。像是手機有加速計、陀螺儀、磁力計來知道現在手機在空間中的位子,研究團隊成功研發出一款感測器裝在手指節上,能透過 14 個感測器回傳的資料計算出整隻手在空間中的姿態。 

軟手臂採用氣壓傳動的方式,最大限度地貼近人類的手,相較於硬手能更溫柔地抓取物體。圖/泛科學攝影

整合各方人才創造價值

張禎元教授表示,能成功研發出清華紳士靠的不是頂尖的工程技術,而是懂得將已經擁有的技術整合。清華紳士由張禎元教授負責機電整合與結構設計,資工、電機系教授負責「腦部」軟體研發,是機械、資工、電機跨領域合作的結晶。

進一步詢問教授會建議什麼樣的人才投入這個產業時,答案令人驚訝!張禎元教授鼓勵美學人才也一起加入機器手臂的製作。對台灣來說,我們的工程規格世界領先,但一個產品的價值不只有工程,美學設計、產品理念也很重要,台灣不缺少專業人才台灣缺少的是價值定位者。教授舉了蘋果手機當例子,iPhone 如此成功除了本身的軟體外,面板材質、尺寸大小、背板顏色、商標位置都是經過嚴格設計的,價值就藏在這些小細節中。

張禎元教授鼓勵美學人才也一起投入機器人產業,創造更多價值。圖/envato elements

科學的研究發展包含研究(research)和發展(development),研究是重新找東西,同一個問題從不同角度去思考,我們要找的是所有能發揮價值的可能性,鎖定目標後再發展技術去實現它,像是思考機器手臂除了幫助醫療復健,可不可以也應用在日常生活甚至是軍事上呢?張禎元教授認為我們應該先訂方向(研究)再找研究缺口(發展),在提升單一技術的同時要不停的考慮,這樣技術還可以運用在什麼方面?還缺少什麼?

工程是科學的應用,是科學和經濟的結合,所以要懂得定義問題再來創造價值。張禎元教授建議工程方面學生除了具備自己領域的專業知識以外也要具備管理能力和企業家精神(entrepreneur),將格局放大才能知道自己的技術定位在哪裡,我們要做的不只是定義價值,最好能定義未來。

從各方報導和參展照片都可以看到許多學生展示跟解說機器手臂的身影,張禎元教授說:「學生才是主角,我不需要跟大家說我用了多少人做出這個手臂,我只要回家跟我太太報告就好了!」張禎元教授認為自己在他所帶領的機器人實驗室是「促成者」的角色,教授非常贊同學生站出來分享自己的研究,也鼓勵學生向自己提出想法一起找出可行的設計方向。作為領導者應該整合團隊創造出成果,跨領域人才的整合是未來趨勢,如何創造更多價值值得我們去發揮創意。

未來步入超高齡社會的台灣,使用自動化機器人代替人力,也許可以解決日益增加的醫療照護需求。清大動力工程張禎元特聘教授,專長為精密機電整合與穿戴式復健機器人,其實驗室結合人工智慧、醫學與人因工程,研發出有視覺、觸覺且動作跟人一樣流暢的機器手臂。
圖/清華大學

參考資料

  1. 國家發展委員會 – 高齡化指標
  2. 衛福部於 108 年發布了國人十大死因報告
  3. 清華大學動力機械工程學系的張禎元特聘教授學經歷
  4. 鏡像治療-衛生福利部南投醫院
  5. 清華大學 – 「清華紳士」機器人有雙溫柔手 醫療照護夠體貼
  6. Youtube – 新創復健機器人輔具公司-張禎元特聘教授 (清華大學動力機械工程學系)
  7. 台灣機器人學會電子會訊 2019 年第三期
  8. 富伯生醫科技
科技大觀園_96
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