鋼鐵俠為外骨骼機(jī)器人提供了最初的靈感
巴西科學(xué)家米古爾·尼科萊利斯在實(shí)驗(yàn)室與癱瘓少年正在調(diào)試機(jī)械外骨骼裝置。
外骨骼機(jī)械裝XOS2
仿生機(jī)械腿“REX”
新聞背景
在巴西世界杯開幕式上，一名巴西癱瘓少年在腦控外骨骼的幫助下，為本屆世界杯開出了第一個(gè)球，從而吸引了無數(shù)人的目光。
靈感來自漫畫《鋼鐵俠》
外骨骼機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是一種可穿戴機(jī)器人，它將人的智能與外部機(jī)械動(dòng)力裝置的機(jī)械能量結(jié)合在一起，可以給人提供額外的動(dòng)力或能力。由于其安裝位置和產(chǎn)生的作用和生物界中的骨骼很相似，故將其稱為人類外骨骼。
外骨骼機(jī)器人的靈感其實(shí)是來源于當(dāng)年美國知名的漫畫《鋼鐵俠》。漫畫的主人公建造了一件金屬鎧甲，穿上它的人就成為一個(gè)所向披靡的“鐵人”。在漫畫里面，“鐵人”的速度超過了噴氣飛機(jī)，可以輕易舉起1000噸的重物。在好萊塢電影《鋼鐵俠》、《異形》、《黑客帝國》中，又進(jìn)一步把這種科幻設(shè)想具體化、形象化。
現(xiàn)代機(jī)器人所具有的機(jī)械動(dòng)力裝置，使得機(jī)器人可以輕易地完成很多艱苦的任務(wù)，比如舉起、搬運(yùn)沉重的負(fù)載等等。另一方面，雖然現(xiàn)代機(jī)器人控制技術(shù)有了長足的發(fā)展，但還遠(yuǎn)達(dá)不到人的智力水平，包括決策能力和對(duì)環(huán)境的感知能力等。因此，將人的智能與機(jī)器人所具有的強(qiáng)大的機(jī)械能量結(jié)合起來，綜合為一個(gè)系統(tǒng)，將會(huì)帶來前所未有的變化，這便是外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想。
美國軍方是最早推動(dòng)者
上世紀(jì)60年代末期，美國和前南斯拉夫就開始研究人體外骨骼裝置。美國研究這一技術(shù)的最初目的是增強(qiáng)人的能力，往往是用于軍事目的。盡管經(jīng)過一段時(shí)間的沉寂，但到20世紀(jì)末期，外骨骼機(jī)器人又重新得到世界各國的關(guān)注，美國、日本、俄羅斯、以色列、韓國、荷蘭等國家都積極地投入到研究中。
王建梅撰寫的《機(jī)械外骨骼發(fā)展史》一文中寫到，2000年，五角大樓國防高級(jí)研究計(jì)劃署開始了為期7年、投資數(shù)千萬美元的機(jī)械外骨骼研究計(jì)劃，這個(gè)研究項(xiàng)目被命名為“EHPA”。
第一件真正意義上的機(jī)械衣XOS建造于2002年，不過當(dāng)時(shí)它沒有任何的動(dòng)力。開發(fā)小組建造它的目的，是證明外骨骼能像人體一樣自如行動(dòng)。當(dāng)一名工程師穿上機(jī)械衣以后，嘗試做了各種復(fù)雜的動(dòng)作，比如踢球、跑步、爬進(jìn)汽車駕駛室。通過這一系列實(shí)驗(yàn)后，又在恰當(dāng)?shù)牡胤讲捎昧艘恍╆P(guān)節(jié)。
2010年第二代外骨骼機(jī)械裝XOS2研發(fā)出來，雖然此設(shè)計(jì)重達(dá)90公斤，但軍人穿上它后，不但可輕易搬起百斤重物，還可重復(fù)擊穿七八厘米厚的木板，并且活動(dòng)自如。這相當(dāng)于綜合了兩三人的工作量，不但可減輕士兵的疲勞程度，還能讓戰(zhàn)斗執(zhí)行效率加倍。XOS2由一系列傳感器、傳動(dòng)裝置以及控制器所構(gòu)成，并由高壓液壓驅(qū)動(dòng)。目前XOS系統(tǒng)有一個(gè)重大缺陷，就是利用自帶的電池只能使用40分鐘。
未來的作戰(zhàn)外骨骼系統(tǒng)可以集成大量的作戰(zhàn)武器系統(tǒng)和現(xiàn)代化的通訊系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)以及生命維持系統(tǒng)，從而把士兵從一個(gè)普通的戰(zhàn)士武裝成一個(gè)“超人”。外骨骼裝備可以使士兵輕松承受重量高達(dá)噸級(jí)的武器裝備，外骨骼本身的動(dòng)力裝置和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能夠使士兵不感疲倦地做長距離、長時(shí)間的高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)外骨骼堅(jiān)實(shí)的防御能力也使得士兵能夠“刀槍不入”。在不久的將來，飛行能力也可能被集成到外骨骼裝備中，從而使士兵的作戰(zhàn)范圍和能力超越傳統(tǒng)的概念。
事實(shí)上，在民用領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人也可以廣泛應(yīng)用于登山、旅游、消防、救災(zāi)等需要背負(fù)沉重的物資、裝備而車輛又無法使用的情況。
為肢體殘障人士帶來福音
2004年，日本機(jī)器人專家山海嘉之創(chuàng)建了一個(gè)叫Cyberdyne的公司，推銷他的全身機(jī)械外骨骼HAL-5。它沒有采用XOS式的壓力感應(yīng)器，而是把感應(yīng)器附著到穿著者身上，從而接收人體肌肉發(fā)出的信號(hào)內(nèi)容，以確定人們下一步的行動(dòng)意圖。這套機(jī)械外衣的控制系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí)、模仿穿著者的自然姿態(tài)。這意味著至少需要30分鐘時(shí)間，兩者才能做到基本上協(xié)調(diào)一致，而不能指望一穿上就行動(dòng)自如。但是HAL-5的主要用途是充當(dāng)康復(fù)治療輔助工具和護(hù)士的助手，所以半個(gè)小時(shí)的培訓(xùn)時(shí)間不構(gòu)成問題。
2010年，新西蘭一家公司發(fā)明了全球首對(duì)仿生機(jī)械腿“REX”，安裝在下身癱瘓者的腿上，能支撐身體，幫助他們重新站起來。借助它使用者可以輕松地站立、行走，甚至上下樓梯和斜坡。這種裝置重量為38公斤，由一個(gè)輕便充電池提供動(dòng)力，充電一次可全天使用。
2011年7月，日本筑波大學(xué)公布一款名為“混合輔助機(jī)械套裝”的機(jī)械外骨骼。該套裝通過墊片與身體的特殊部位相連接，能夠探測到微弱的生物電信號(hào)，墊片與肢體運(yùn)動(dòng)相一致。當(dāng)使用者穿著該套裝試圖移動(dòng)時(shí)，從大腦釋放的神經(jīng)信號(hào)將通過運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元傳輸至肌肉組織，最終將產(chǎn)生肌骨系統(tǒng)的移動(dòng)。已有兩個(gè)孩子的殘疾人SeijiUchid，正是使用這種最新研制的神經(jīng)控制外骨骼結(jié)構(gòu)，使自己的力量增強(qiáng)了十倍，成功地登上了法國圣米歇爾山。
腦控—更大挑戰(zhàn)更美未來
巴西癱瘓少年為世界杯開出的第一個(gè)球，之所以引起人們更大的興趣，是因?yàn)檫@套裝置是通過患者大腦意識(shí)活動(dòng)進(jìn)行控制的。這款被命名為“Bra-Santos Dumont”的“外骨骼”，是非營利國際合作項(xiàng)目“再次行走計(jì)劃”的一個(gè)研究成果，是由美國杜克大學(xué)的巴西神經(jīng)科學(xué)家米古爾·尼科萊利斯與德國慕尼黑理工大學(xué)的戈登·陳聯(lián)合開發(fā)的。尼科萊利斯此前在接受法國媒體采訪時(shí)表示：外骨骼’由大腦活動(dòng)控制，并將信息反饋給佩戴者還是第一次。”
據(jù)報(bào)道，這套裝置通過患者大腦意識(shí)活動(dòng)進(jìn)行控制，大腦活動(dòng)可由放置在患者頭皮或大腦的電極探測到。信號(hào)經(jīng)無線傳輸?shù)交颊弑嘲鼉?nèi)一臺(tái)筆記本大小的計(jì)算機(jī)裝置中，會(huì)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的行動(dòng)指令，再轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)作。傳感器結(jié)合機(jī)械外骨骼結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒂|覺、溫度和力量信息反饋至使用者，相關(guān)的信息可反饋在視頻顯示器或者振動(dòng)電機(jī)上。
米古爾·尼科萊利斯早在2000年初就發(fā)明了腦機(jī)接口，他曾利用猴子做了大量實(shí)驗(yàn)，讓它們學(xué)習(xí)只用腦活動(dòng)來控制兩條虛擬手臂的運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，尼科萊利斯和同事研究了大范圍的腦皮層記錄，努力為腦機(jī)接口提供足夠的信號(hào)，以精確控制雙手運(yùn)動(dòng)。
顯然，這是一項(xiàng)十分困難的工作。當(dāng)我們通過電視機(jī)看到巴西癱瘓少年為世界杯開球的畫面時(shí)，就能體會(huì)到：這既是一項(xiàng)了不起的突破，同時(shí)也只是萬里長征邁出的第一步。
應(yīng)用仍有多重困難
據(jù)廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院林軍介紹，雖然人類外骨骼在最近十幾年取得了很大的進(jìn)展，然而現(xiàn)實(shí)中還有許多問題需要解決。
目前人類外骨骼主要通過采集肌電信號(hào)和力反饋的方法來獲取穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖，肌電信號(hào)采集的方法有很嚴(yán)格的外界環(huán)境限制，一旦信號(hào)采集的地方發(fā)生微小的變化（如流汗等）就會(huì)干擾信號(hào)的采集；而力反饋法具有本質(zhì)上的滯后性，當(dāng)穿戴者做出快速的運(yùn)動(dòng)或者高難度的動(dòng)作時(shí)就會(huì)有阻礙感。
人類外骨骼主要通過捆綁的方式與穿戴者連接在一起，而這種方式具有很大的缺陷，如人體捆綁部位會(huì)因帶子的束縛產(chǎn)生血液流通不暢等問題；捆綁處因肌肉的收縮、伸展產(chǎn)生的形狀變形會(huì)很大程度上影響人類外骨骼的定位精度。
而且，人類外骨骼使用的便攜式能源只能給系統(tǒng)提供2至9小時(shí)的續(xù)航時(shí)間，所以開發(fā)新的便攜能源將成為需要解決的研究難題。
此外，由于人類的生理機(jī)構(gòu)具有承受極限，每個(gè)關(guān)節(jié)有運(yùn)動(dòng)范圍的限制，因此在人類外骨骼設(shè)計(jì)中，要防止對(duì)穿戴者造成傷害。
