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他山之石:國外康復機器人公司的商業化之路

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[編者按]目前,外骨骼機器人在世界上的代表性公司包括美國的Ekso仿生學公司、以色列的ReWalk公司、日本的賽博達因公司、新西蘭的雷克斯仿生學有限公司等。 國內醫療機器人企業如雨后春筍般涌現。家用機器人如何從國外經驗中學習?

本文基于梁陳迪對于斯醫療設備的觀察。由歐盟大學健康編輯,供業界參考。

1959年,科幻作家羅伯特?海因萊因在他著名的科幻小說《星船傘兵》中提出了科幻小說中的“動力裝甲”概念,這后來成為機械外骨骼的雛形 外骨骼的概念來自節肢動物保護和支撐身體并幫助移動的剛性外部結構。 然而,人類可以通過機械傳動和控制系統仿生出機械外骨骼,使人跑得更快,跳得更高,承受更多的重量。 它不僅有助于提高行動不便者的行動能力,還能使正常人有更強的力量和速度來完成更困難的戰斗或工業生產任務。

受這部科幻小說的啟發,美國和日本在1960年后分別開始了對機械外骨骼的研究。 美國在研發方面由軍方領導,而日本直接從外骨骼的商業用途開始,重點幫助殘疾人和老年人進行日常生活(行走、爬樓梯、負重等)。)

20世紀60年代,通用電氣開發了基于主從控制的外骨骼原型哈迪曼外骨骼手 其設計目的是幫助用戶在外層空間空、核電站、水下等地方工作。 該公司率先提出并開展主動助力機械骨機的研究,以增強人體功能。 它的機械骨架笨重,安全性能低,只能代替單手的功能。

1991年,日本神奈川理工學院開發了一種獨立的可穿戴輔助外套,名為“助力服”。該產品使用肌肉壓力傳感器來分析佩戴者的運動,并通過微型氣泵、便攜式鎳鎘電池和嵌入式微處理器提供足夠的幫助。 該產品是專門為護士開發的,可增加人體力量0.5-1倍。

2002年,美國肉瘤公司推出了世界上第一件機械外骨骼服裝(XOS) 穿著“XOS”時,人們可以舉起90公斤重、9公斤重的物體,可以連續舉起50-500次。 然而,“XOS”有一個主要缺陷:它自己的電池只能使用40分鐘,需要通過拖動電線隨時充電。

2010年,伯克利仿生學研究所開發了一種電池供電的機械骨骼系統“eLEGS” 這是世界上第一個不用繩索或鏈條來達到自然行走目標的外骨骼。當使用者通過控制手臂姿勢向前移動右拐杖時,左腿將向前移動以幫助截癱患者擺脫輪椅并以自然步態行走。

在醫療方面,步態訓練是下肢功能障礙康復訓練的主要方法。機械骨骼可應用于神經康復領域的特定訓練,以確保有效的康復訓練,因此非常適合老年人和殘疾人 借助機器人外骨骼,中風患者可以比傳統物理療法更快地恢復手臂運動能力。 傳感器檢測肌肉力量、運動范圍和大腦活動,還可以通知治療師病人的進展。 這種機器還有助于大腦的再訓練,這樣健康的區域可以彌補受損的區域。 機器人系統也幫助病人重新學習行走和其他運動技能。

根據研究和市場發布的一份報告,到2023年,醫用外骨骼行業的全球市場價值將超過5.7億美元。 在我國,每年中風、腦性癱瘓和事故都會導致無數病人癱瘓和不能行走。 據統計,中國約有530萬脊髓損傷患者和600多萬腦癱患者。 近3億老年人中約有20%有行動不便的問題。 然而,我們的康復機構和人才存在巨大差距。 中國只有11,000名康復治療師,而美國有200,000多名。中國只有少數50 -60家康復診所,而美國約有30,000-70,000家,為外骨骼在康復醫學中的應用提供了廣闊的市場增長空。

目前,外骨骼機器人在世界上的代表性公司包括美國Ekso仿生學、以色列ReWalk、日本賽博達因、新西蘭雷克斯仿生學有限公司等。

1、Ekso仿生學

2004年,加州大學伯克利分校機器人和人類工程實驗室為美國國防部高級規劃和研究機構開發了一種軍用仿生外骨骼,即人類通用載重架。在實驗中,人們發現機器人的能耗存在很大問題。 當我們站著什么也不做的時候,我們不會感到累,那么為什么我們的外骨骼需要消耗這么多能量才能站立呢?那么必須有一種方法來支撐我們的體重,就像我們的骨骼結構一樣,而不需要使用驅動或者消耗大量的能量。

后來他們發現了一種叫做ExoHiker的技術,它由一定順序的關節組成,但它可以通過關節將重量轉移到地面,結合了重力和能量回收技術。 隨著關鍵技術的突破,公司現在已經取得了成功。

后來,Ekso聯合創始人安戈的弟弟不幸頸部受傷,C6-C7脊髓損傷剝奪了他的下肢力量 安戈決心建造一個外骨骼機器人來幫助他的兄弟再次站起來。 這也是他和他的公司設計和開發醫療用機器人外骨骼的原因。

但是早在2005年,很少有人愿意投資一家回報期很長的硬件機器人公司。 幸運的是,Ekso與國防部密切合作,該公司已經獲得了幾個美國研究機構的資助,包括美國國防部高級規劃研究機構、美國國家科學基金會和美國國家標準與技術研究所。

在HULC的基礎上,該公司和洛克希德馬丁公司于2009年聯合推出了脊髓損傷截癱患者下肢步態修復電子逆向工程。 2011年,伯克利仿生學公司更名為Ekso仿生學,其產品eLEGS也更名為Ekso。

強大的國防背景和深厚的學術實力使Ekso仿生學發展迅速。2012年,Ekso在美國注冊為醫院的L型設備,并獲得歐盟的CE認證。 2013年,Ekso仿生學增加了可變輔助系統?這是一款智能的自適應軟件,可以為身體的任何一側提供自適應能力,從而產生最新的Ekso GT?

2014年,愛克索仿生學在納斯達克上市 2016年,Ekso GT獲得了美國食品和藥物管理局的認證,成為美國食品和藥物管理局批準的首個針對中風和偏癱患者的外骨骼裝置。 Ekso仿生學2017年收入總額為740萬美元,2018年收入同比增長54%,至1130萬美元。2018年總共售出了90臺Ekso GT?這比2017年的61起增長了近50%。

迄今為止,Ekso已經幫助了全球200多家康復機構的患者,使患者能夠行走超過9000萬步。 然而,Ekso每套外骨骼14萬美元的超高售價仍然粉碎了無數中風和偏癱患者擁有自己外骨骼機器人的夢想。公司的產品主要用于康復機構。

2、重新行走機器人

ReWalk Robotics成立于2001年,是一家以色列醫療設備公司,致力于外骨骼的設計、開發和商業化。它的重走外骨骼機器人是世界上第一個美國食品和藥物管理局認證的外骨骼機器人,也是世界上領先的民用外骨骼系統。

公司創始人阿米特戈弗在1997年因車禍癱瘓。 在住院的九個月里,他不得不忍受巨大的痛苦,學會使用輪椅和鍛煉肌肉。 之后,戈弗與幾個朋友、同事和像他一樣癱瘓的人組成了一個小團隊,并在他的車庫里花了6年時間建造了ReWalk的第一個原型。 2006年,他們進入以色列理工大學孵化器。 在這里,設備得到了進一步改進,并開始投入臨床實踐進行長期測試。 2011年,ReWalk推出了Rewalk康復服務,供美國和歐洲的醫院和康復中心使用。 2012年底,ReWalk Personal獲得歐洲CE認證,并于2014年6月被美國食品和藥物管理局批準上市。

公司有兩種產品,即個人康復和康復康復。前者主要適用于家庭、工作或社會環境。通過傳感器和監視器,病人可以站立、行走和攀爬建筑物。 后者用于臨床修復,為癱瘓患者提供物理治療,包括緩解癱瘓引起的肢體疼痛和肌肉痙攣,幫助腸道消化系統,加速新陳代謝等。

當上身前傾時,Rewalk邁出第一步,利用用戶自身重心的微妙變化來控制運動。 由于外骨骼支持自身的重量,使用者不會消耗不必要的能量而走開。 用戶可以將他們的重量轉移到一側來實現轉向。 Rewalk還允許用戶坐和站,在某些情況下,可以上下樓梯。 用戶可以獨立操作設備,也可以自己穿上和脫下設備。 Rewalk能夠以自然的步態行走并保持功能性行走速度,這在其他外骨骼設備中是不可獲得的。

ReWalk公司于2014年9月在納斯達克上市。在上市的第一個月,它受到了市場的高度追捧,股價達到創紀錄的30多美元,比發行價高出3倍多,動態市盈率達到80倍。 然而,由于持續的巨額虧損和開放市場的延誤,股價開始一路下跌。

ReWalk的營業收入增長迅速,但其凈利潤和虧損也在逐年增加。近年來,股票市場一直處于低迷狀態。它的市場價值也從最高的2億美元下降到最低的1683萬美元,現在又回升到2090萬美元左右。 部分原因是公司持續高強度的研發投資,研發成本在14年間增長了2.5倍,達到856萬美元。自2014年上市以來,研發強度(通過研發成本/經營收入計算,考慮企業間的個體差異,衡量企業研發投資水平)一直保持在200%以上的高水平。目前的研發是為了幾年后的產品發布。高研發強度意味著公司對未來產品的市場容量和促銷充滿信心

2013年,雷沃克明確表示,安川電氣將成為該公司在亞洲的主要(目前唯一)合作伙伴,并將成為包括中國在內的亞洲最大代理商 這樣,ReWalk就可以利用安川遍布亞洲的營銷網絡銷售自己的產品,而不用花費太多的力量來建立自己的營銷渠道。 截至2018年11月,ReWalk在全球安裝了500臺設備。這些設備大多是家庭和社區脊髓損傷患者使用的個人系統,而其他設備位于康復中心,用于評估和培訓潛在的新設備所有者。

3。Cyberdyne

2001,筑波大學的Yoshiyuki Sankai教授和他的研究團隊正式推出HAL(混合輔助腿)系列混合腿外骨骼機器人。 這是一個機器人,在這個機器人中,用戶可以在全身穿戴外骨骼。下肢外骨骼用于幫助腿部虛弱的用戶提供腿部輔助。針對用戶對機器人輔助的不同要求,手臂外骨骼可以幫助用戶舉起100公斤的重量

2004年,在日本政府的財政支持下,三凱教授創立了賽博達因。旗艦產品HAL是日本最著名的機器人外骨骼,于2005年愛知世博會首次亮相。 HAL于2008年正式發布,并于2013年成為世界上第一款具有安全認證的機器人外骨骼產品。 2014年3月,賽博達因在東京證券交易所創業板上市。這是日本第一家為醫療和社會福利事業生產機器人的公司。 該公司于2013年獲得臨床使用CE認證,積極推廣歐洲市場,并于2018年獲得美國食品和藥物管理局認證

公司創始人吉星三世通過特殊的雙重股權設計牢牢控制公司,以確保其技術僅用于和平、非致命和非軍事目的。 當這家三級銀行首次尋找投資者時,他通過私募無投票權股票籌集了5500萬美元。 公司已經發行了兩種股票,普通股和特種股票,這使得吉爾吉斯斯坦三級銀行很難成為收購目標,盡管它只持有39.7%的流通股,但擁有86.4%的表決權。 目前,該公司市值約為14億美元,尚未開始盈利。 其2015財年的營業收入為580萬美元,同比增長26.6%。它的凈利潤與其他外骨骼開發公司相似,但仍處于虧損狀態。

相對而言,賽博達因的毛利率相對較高。然而,由于在標準認證等項目上的大量支出,以及公司的研發強度一直處于較高水平,運營費用相對較高。隨著認證的批準和消費市場的擴大,公司有望在未來達到收支平衡。 與此同時,已獲得更多監管部門對用作醫療設備的HAL的批準,因此HAL將被納入保險責任范圍,這一技術的使用也將擴大。 例如,德國已經批準哈爾治療受傷工人,并允許工人使用工傷保險支付他們的費用。 “賽博達因”的核心產品哈爾至今已經經歷了五代的發展。2010年,筑波大學科學研究系提出了仿生人體工程學的思想來設計外骨骼。HAL的設計強調與人體的整合程度,他們認為HAL系統應該更像人體的自然延伸,而不僅僅是一個幫助工具。 HAL-5配備了混合控制系統,在室內和室外都表現良好。幾乎日常生活中的所有活動都可以用HAL-5完成。 穿上賽博達因外骨骼后,你不會感覺到130磅(約59公斤)的重量,因為外骨骼會幫助你承受這些重量。

在日本國內,HAL已售出400多套,價格大約在15萬美元。其中,HAL-3僅提供腿部功能,而HAL-5能夠提供手臂、腿和軀干等全方位外骨骼功能。未來,Cyberdyne還將開發只戴在肘部、膝蓋等特定部位的機器人套裝以及兒童可穿戴的機器人套裝。由于產品不菲的使用成本,所以公司使用租借的方式來分散化高昂的費用。據Cyberdyne官方數據,自2010年以來,東京地區的150間醫院和療養院已經累計租借了330套HAL,使用者支付5200美元左右的初期導入費(相當于初裝費用的概念)后,就能夠以每月大約1700美元的價格(租賃時間如果超過一年將獲得更低廉得月租費用)進行租賃使用,這種靈活的租賃方式受到了醫療機構的歡迎。

4、新西蘭Rex Bionics Limited

Rex Bionics Limited (“RBL”)是一家關注于研發、生產和商業化針對下肢功能障礙病人的外骨骼機器人的創新型公司。目前總部在英國倫敦,生產和研發基地位于新西蘭奧克蘭,全球服務中心位于英國什魯斯伯里。2014年REX公司被在倫敦交易所AIM上市的Union MedTech Plc“反向收購”,公司名字正式改名為“Rex Bionics”;同時完成了融資1000萬英鎊,開始商業化Rex相關技術,并法律意義上成為一家英國公司。2016年中國美安醫藥完成了對Rex的股權投資,并將在中國實現Rex的商業化。

公司目前主要提供兩大Rex系列產品:REX-REHAB以及REX-P(Personal),分別針對專業的神經康復訓練中心和個人家里護理市場;前者針對神經康復中心提供了可根據不同病人提供快速調整的功能,一般不會需要超過5分鐘,這個功能對于康復訓練中心使用場景特別重要,因為會有數量龐大的不同體型和類型的病人康復訓練中心接受康復訓練;Rex-P主要這對個人家庭使用,所以它的大小和特定參數是針對個人進行定制化設定的,所以不能輕易更改,但是提供了增加額外能力的擴展性,能夠個性化符合個人的需求。

Rex是目前市場上唯一一款不需要拐杖支持的外骨骼機器人。這被認為給公司的產品提供了兩大關鍵性的競爭優勢:第一,它使得Rex可以在站立的同時解放上肢和雙手,可以同時利用雙手進行工作或者其他活動,尤其是在直立狀態下安全地進行相對復雜的物理康復訓練,進而增強他們的核心機能和上肢功能;在坐立狀態下,這種類型、強度和功能的物理康復訓練的實現是不可能的;第二,對于大量的嚴重病患,無法使用拐杖或相應手部支撐,Rex成為他們唯一的選擇,不管是站立、行走、直立手部工作、生活操作、亦或是物理康復訓練等等。

無論國內外企業,在醫用外骨骼商業化落地的過程中都不太順利。不過即使是手術機器人王者達芬奇,在上市的前幾年也是嚴重虧損,直到第五年才迎來業績小爆發,并經歷了15年的起伏,才處于如今的壟斷地位。而各家外骨骼企業至今也仍在持續虧損徘徊,最大的問題在于銷量不振與成本控制,這也是高新技術產品在初期的通病。他們共同的缺點是:太貴了。

ReWalk6.0系統的售價約是7.7萬美金,Ekso外骨骼售價每套14萬美金,而Cyberdyne的產品售價更是高達20多萬美金,即使這些公司都采用了租賃的商業模式,但是租金依然不菲。在2016年第四季度,Rewalk和Cyberdyne兩家公司的股票雙雙遭遇暴跌,市值縮水三分之一。而于此同時,人工智能成為當年的投資熱點。這兩家公司用十幾、二十幾年的時間構建了復雜指令算法的交互程序,學習型算法在半個小時內就可以超越這些積累。人工智能技術正在沖擊著傳統的外骨骼產品,產品迭代頻率加快,國際上的大企業并沒有很多的先發優勢,時刻面臨技術淘汰的危險。

對于更多的國內外骨骼初創企業而言,在商業化的過程中,不僅僅要在成本上下功夫削減,還要解決應用場景的多元化和康復體系的建設。總之,目前外骨骼機器人行業還沒有形成穩定的盈利模式,無論國內外都在曲折中探索發展。

未來,外骨骼的研發方向將是重量和尺寸的進一步減小,優化機械結構與控制系統,電池更加高效,將金屬框架替換為織物和人造肌肉等柔性外骨骼。同時,外骨骼的工業化應用也正在積極探索,比如HCL已被用于福島核電站的救助現場。工業外骨骼公司2019年以來的投資熱度正在快速上升,大有超越醫用外骨骼的趨勢。我國醫用外骨骼機器人公司傅利葉智能憑借其現有技術,于今年年初創辦了專注于工業外骨骼機器人研發的傲鯊智能公司,開辟更廣闊的外骨骼市場。鐵甲鋼拳也正在與京東合作開發外骨骼在倉儲物流過程中的應用。

醫用外骨骼機器人毛利率相對較高,售價可以達到工業外骨骼機器人的3-4倍,但同時其市場推廣受到醫療設備審批認證的限制。相對醫用外骨骼機器人需要二類醫療器械認證,工業外骨骼機器人沒有醫用那樣強制的認證要求,更多考慮的是耐久性、EMC等基礎測試。或許通過外骨骼在工業制造、消防、物流等更多民用領域的推廣,能夠讓這項技術真正找到盈利的方向。

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