“人體外骨骼可穿戴機器人（Wearable Robotic Exoskeleton）是一類通過精密機械裝置協(xié)助人體完成動作的裝置（同步、加強、模仿），它結合了外骨骼仿生技術和信息控制技術，涉及生物運動學、機器人學、信息科學、人工智能等跨科學知識。受制于高度符合人體動作準確度的實現(xiàn)難度、運動意圖判斷、能源供給、結構材料（輕型、堅固、有彈性）、控制策略等影響因素，人體外骨骼助力機器人目前仍處于早期階段。” ——《一種可穿戴機器人的多傳感器感知系統(tǒng)研究》。

 

　　最早的人體外骨骼助力機器人是1966年GE研制的Hardman助力機器人，21世紀初美國國防部高級研究計劃局（DAPRA）撥款推進軍事助力機器人研發(fā)，第一代產品包括RTN（Raytheon）的XOS（授權自Sarcos）和LMT（Lockheed Martin）的HULC（人類外骨骼負重系統(tǒng)，授權自Ekso）。2001-2005年，全球數(shù)家大學開始研發(fā)下肢助殘機器人外骨骼，這些系統(tǒng)初步將投入于康復使用，未來或逐步推廣至日常使用，機器人外骨骼或將徹底改變下肢癱瘓患者的康復治療和日常生活，比較著名的醫(yī)用外骨骼項目包括剝離自日本筑波大學的HAL、剝離自UC Berkeley的Ekso、以色列創(chuàng)業(yè)項目Rewalk、新西蘭創(chuàng)業(yè)項目Rex以及運動控制技術公司Parker Hannifin（NYSE：PH）旗下的Indego.助力外骨骼下一步自然是延伸至工業(yè)應用，減少復雜工程的工傷事故，提升工作效率。

 

　?。╥）醫(yī)療應用

 

　　今年初Wintergreen Research發(fā)布康復中心機器人行業(yè)報告（包括康復機器人、主動型假肢、機器人外骨骼等），預測該市場將從目前$43m增長至2020年的$1.8b，而ABI Research報告預測2020年外骨骼機器人市場將達 $292m。

 

　　下圖顯示，全美5.6m癱瘓病人按病因分類包括：中風引起（29%）、脊髓損傷引起（23%）、多發(fā)性硬化癥引起（17%）、腦癱引起（7%）、小兒麻痹癥引起（5%）等。

 

　　全美有1200萬脊髓損傷（SCI）引起的癱瘓病人（The Christopher and Dana Reeve Foundation數(shù)據(jù)），273000例為脊髓損傷引起的全癱病人（15%為退伍軍人，享受相關福利），每年新增病例12000例（NSCICS/國家脊髓損傷統(tǒng)計中心數(shù)據(jù)，2013），非美國家全癱患者數(shù)及每年新增病例與美國接近。美國脊髓損傷患者起因（下圖）主要是交通事故（37%）和摔倒（29%），緊接著暴力事件（尤其槍支暴力）比重高達14%，遠高于歐洲地區(qū)的MSD比重。大部分脊髓損傷早期患者會接受數(shù)月康復治療，步態(tài)訓練是下肢功能障礙康復訓練的主要方式，幫助恢復肌肉力量和韌性，改善運動能力和關節(jié)協(xié)調性，維持身體正常機能。全美每年脊髓損傷直接治療成本$40b，間接護理成本達到$306b，歐洲市場支出與美國接近。

 

　　全美有500多萬人中風患者，每年發(fā)病人次780k（80%可以幸存），20-25%的中風患者無法獨立行走（ReWalk IPO資料），這部分患者便是機器人外骨骼可以提供康復治療的潛在市場。盡管中風患者每年發(fā)病人次是脊髓損傷患者人次的65x，但致癱比重（29%）僅比脊髓損傷致癱（23%）高出600 Bps，這是因為中風患者存活壽命較短。

 

　　全美有400000例多發(fā)性硬化癥患者（NMSS/國家多發(fā)性硬化癥協(xié)會數(shù)據(jù)），53%的患者（212000）在Kurtzke擴展殘疾狀態(tài)量表（0-10分）得分6-7（ReWalk招股書數(shù)據(jù)），屬于需要輔助行走但尚未依賴輪椅。

 

　　全美有764k腦癱患者（UCP/國際腦癱組織），具體適應外骨骼康復人群需要進一步確認。

　　考慮到前期治療和并發(fā)癥治療，截癱患者是所有患者人群中醫(yī)療開支最高的群體之一，終身疾病開銷大約在150萬-400萬美金（Ekso資料）。以脊髓損傷（SCI）患者為例，不考慮薪酬福利損失，脊髓損傷后第一年治療費用高達50萬美金（ReWalk資料），之后每年康復中心理療成本4000美金、定期檢查成本3000美金，平均每人每年因并發(fā)癥住院22天，平均住院成本10000美金、并發(fā)癥藥物成本4000美金（如痙攣），相當于后續(xù)每年平均2萬美金的護理成本（Ekso資料）。 目前對外銷售的個人用機器人外骨骼平均售價約10萬美金，相當于脊髓損傷患者5年的定期護理成本（ReWalk招股書提及全美大約80%的脊髓損傷患者年齡適合購買個人用機器人），由于中風致癱患者存活壽命相對較短，目前的個人用機器人外骨骼對該部分患者具有價格壓力（這也是Ekso計劃較晚進入個人用市場的原因）；而在康復中心市場，在預算允許或者保險覆蓋的前提下，機器人外骨骼未來在幫助截癱患者進行康復治療方面將起到越來越重要的角色。

 

　?。╥i）軍事應用

 

　　伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭>35%的醫(yī)療后送是因為負重損傷所致，部分任務負重超過125磅/57公斤（包括武器、彈藥、電子設備、防彈衣等），外骨骼機器人可以大幅提高戰(zhàn)士的承重能力。2009年Ekso發(fā)布的人類外骨骼負重系統(tǒng)（HULC/Human Universal Load Carrier）承重力達到200磅/90公斤，大幅提高單兵作戰(zhàn)能力，該技術目前獨家授權給LMT.另外，保護性機器人外骨骼可以有效抵御氣體及生化武器的襲擊。

 

　?。╥ii）工業(yè)應用

 

　　工業(yè)應用面向工程施工、緊急救助（疾病、事故、災害、突發(fā)事件）、生產制造、搬運輸送、危險工作（如核電站操作維護、航天空間站、深水作業(yè)）等。下圖左顯示了2011年普吉特海灣海軍造船廠一次高難度測試，工人身著全身外骨骼機器人（HULC+Zero-G）托舉電動砂輪機進行船體打磨（Overhead Grinding），如果沒有助力機器人，這極易造成工傷，海軍部隨后發(fā)布了測試結果：打磨時間僅為常規(guī)耗時的1/3、打磨質量改善、一名患有纖維肌痛的工人輕松完成任務。右圖顯示HAL被用于福島核電站救助現(xiàn)場，外骨骼系統(tǒng)除了助力以外，還可以防輻射，大幅提高工作效率，最小化災害影響。

 

　　本文主要介紹Cyberdyne（TYO：7779）、Ekso Bionics（OTCBB：EKSO）、ReWalk Robotics （NASDAQ： RWLK）和Rex Bionics （LON：RXB）四家機器人外骨骼公司，這四家公司分別來自日本、美國、以色列和新西蘭（被英國公司收購），均于2014年上市。綜合分析后，我們認為四家公司各具特色， Cyberdyne人機反饋優(yōu)勢凸出，Ekso歐美市場布局廣泛，ReWalk合規(guī)批準提供先發(fā)優(yōu)勢，Rex支持無支撐式獨立行走（為四肢癱瘓患者提供解決方案）。重點分析智能化優(yōu)勢突出的Cyberdyne.

 

　　Cybernics是一門混合學科，覆蓋控制論（人）、機電學（機）、信息學（信息）和醫(yī)學（神經科學、運動學、再生醫(yī)學）領域，筑波大學的Cybernics研究中心是日本頂尖智能機器人研究中心，由日本筑波大學教授Yoshiyuke Sankai于1991年創(chuàng)立，1995年，第一臺HAL（Hybrid Assistive Limb，混合助力機器人外骨骼）樣機誕生。2004年，在日本內閣撥款資助下，Sankai教授創(chuàng)立了Cyberdyne公司，旗艦產品HAL于2005年首次亮相于愛知世博會，是目前日本最著名的機器人外骨骼。2008年HAL正式發(fā)布，2013年成為全球首個獲得安全認證的機器人外骨骼產品（ISO/DIS 13482）。 各個市場進展（下表）。2013年HAL獲得CE標識，隨后德國法定工傷保險DGUV提出醫(yī)保報銷，HAL進入德國市場，目前正在著手準備瑞士、奧地利、西班牙市場的推廣（Nomura預期2015年）。2013年，日本新瀉市民醫(yī)院啟動一項HAL針對頑固性神經肌肉罕見病患者治療的臨床試驗，計劃今年7月結束，并于年底向日本醫(yī)藥局申請醫(yī)院用醫(yī)療器械，Nomura預期2015年HAL有機會獲得日本市場長期關愛中心（LTC）保險覆蓋。另外，2014年初公司開始準備FDA申請資料，申請資料會用到日本和德國市場的臨床試驗數(shù)據(jù)，Nomura預期14H2遞交材料，2015年有望獲批及保險覆蓋。 Cyberdyne于今年3月在東京交易所上市，目前市值22億美金.

 

　　HAL模仿人體工學設計，由兩套Cybernics控制系統(tǒng)構成：生物意識控制系統(tǒng)（CVC）和自主控制系統(tǒng)（CAC）。這是HAL與其他機器人外骨骼相比的獨特優(yōu)勢，通過固定在皮膚表面的傳感器搜集肌電信息（Bioelectric Signals），CVC可以判斷行動意圖，控制動力裝置，而CAC則利用計算機存儲動作模型，完成并記憶助力動作（站坐、行走、上下樓梯），不難想象，CAC的記憶控制或可永久保留著名運動員的動作模式。

 

　　利用相關醫(yī)學原理闡述HAL的作用機制：正常肢體行動依靠大腦和外周神經系統(tǒng)進行，大腦發(fā)布指令，運動神經（脊髓）傳遞指令至肌肉骨骼系統(tǒng)（比如關節(jié)），中風等腦部疾病以及脊髓損傷、多發(fā)性硬化癥等運動神經疾病會破壞正常神經通路，使患者肢體癱瘓。HAL的兩套控制系統(tǒng)互相配合，為患者架構一個替代神經網絡，相當于一個外接大腦/神經系統(tǒng)，促進生物反饋、刺激大腦學習、逐步修復通路，這和一般意義上的理療有顯著差別，理療通過肢體移動恢復肌肉功能，而HAL為患者提供了完整生物反饋。 注意到目前競爭對手產品（包括ReWalk、Rex在內）主要針對脊髓損傷（22%截癱患者）和多發(fā)性硬化癥患者（17%截癱患者），而HAL和Ekso的產品適用于截癱第一大病因——中風患者（29%截癱患者）。其中，HAL的通路修復原理天然適合于中風引起的癱瘓，而Ekso則是利用可變助力軟件對中風患者進行康復訓練。

 

　　除筑波大學，全球其他通過“意念”控制幫助癱瘓患者的項目包括美國的匹茲堡大學醫(yī)學院和杜克大學醫(yī)院院的機器人假肢項目，可以通過連接大腦按癱瘓者“意念”來完成全身肢體動作。

 

　　除了醫(yī)用產品，Cyberdyne還有其他外骨骼及非外骨骼機器人產品，但Sankai教授拒絕Cybernics技術用于軍事領域。 Cyberdyne計劃2014年底前測試發(fā)布以下產品： -智能大樓清潔機器人。清潔機器人可以自行乘坐電梯并清潔所有樓道，這將節(jié)省樓道清潔費（包括人工費、照明費、空調費、工傷保險費等）。 -手關節(jié)/膝關節(jié)強化訓練機器人外骨骼。關節(jié)強化機器人將用于疾病預防及家庭護理。 -生命體征傳感器。手掌大小的傳感器可以通過檢測一系列病狀預防中風，包括動脈硬化、心律失常、脫水等病狀，數(shù)據(jù)可實時發(fā)送至醫(yī)生處。 -腰背助力外骨骼。適用于康復中心護工及重體力工業(yè)。

 

　　在研其他外骨骼系列包括：全身助力外骨骼（工業(yè)用）、賑災助力外骨骼（防輻射、冷卻系統(tǒng)、生命體征傳感系統(tǒng)），日本政府2011年承諾向后者研發(fā)提供1.5億美金的資金援助。

 

　?。╥i）Ekso Bionics（前身為Berkeley Bionics）

 

　　2005年，UC Berkeley機器人和人體工程實驗室三名學者創(chuàng)立了Berkeley Bionics，同年發(fā)布ExoHiker系列，提高長途承重至150磅/70公斤，2007年承重升級至200磅/90公斤。2009年公司發(fā)布了液壓傳動的人類外骨骼負重系統(tǒng)（HULC/Human Universal Load Carrier），承重力200磅/90公斤（包括武器、彈藥、電子設備、防彈衣等），大幅提高單兵作戰(zhàn)能力，同年Berkeley Bionics將HULC技術獨家授權給LMT. 2012年底海豹六隊在阿富汗東部解除一名美國醫(yī)生人質時，一名特種兵遭遇槍殺，此事直接導致美軍特種作戰(zhàn)司令部（USSOCOM）去年啟動TALOS項目（戰(zhàn)術突擊輕型作戰(zhàn)機器服，下圖），HULC將是TALOS構成的一部分（下下圖）。TALOS不僅防彈、助力、夜視、增強現(xiàn)實，還能監(jiān)測生命體征、自動噴藥，該項目由56家公司、18個政府機構、13個大學和10個國家實驗室共同參與，計劃于2018年產品上市，目前累計耗資已經超過$10m. 今年初，LMT和Ekso合作研發(fā)的軍事工業(yè)用機器人外骨骼Mantis樣機發(fā)貨，助力造船工人搬運重物及進行高難度工作，減少工傷事故。

 

　　在HULC基礎上，公司于2010年發(fā)布針對脊髓損傷引起的截癱患者的下肢步態(tài)修復外骨骼系統(tǒng)eLEGS（Exoskeleton Lower Extremity Gait System），該系統(tǒng)利用專用拐杖進行行為控制（下圖右），需要理療醫(yī)生監(jiān)督。2011年公司改名為Ekso Bionics，eLEGS改名Ekso，2012年初第一代Ekso獲得FDA批準并取得CE標識，開始進入全美主要康復中心，為脊髓損傷（SCI）患者提供步態(tài)康復訓練。13H2， Ekso發(fā)布可變助力軟件（Variable Assis Software），覆蓋人群拓展至中風患者（詳見“產品對比”）。2013年底，第二代機器人外骨骼Ekso GT配合可變助力軟件進入康復中心。 截至14Q1，Ekso機器人外骨骼已進入全球60家康復中心（50%北美、40%歐州12國、剩余10%南非、南美），共計出售或出租64臺Ekso，累計幫助3000+患者進行治療，注意到年初新聘的銷售VP Glenn Davis在全球第二大醫(yī)療器械公司西門子任職23年。除康復用機器人外，公司正在研發(fā)個人用機器人，預期2015-2016年上市。截至14Q1，Ekso月產量8臺，最高產能可以達到125臺。

 

　　（iii）ReWalk Robotics（前身為Argo Medical Technologies）

　　以色列公司Rewalk Robotics成立于2001年，總部后遷至美國麻省，創(chuàng)始人Amit Goffer四肢癱瘓，致力于研發(fā)助殘外骨骼機器人，公司的核心技術為獨有的傾斜傳感技術（2021年到期），通過檢測重心的輕微變化，ReWalk帶動患者行走。 歷經10年研究，ReWalk于2011年在歐美市場發(fā)布了康復訓練外骨骼（ReWalk R/Rehabilitation），是最早進入歐洲市場的機器人外骨骼產品。個人用機器人外骨骼（ReWalk P/Personal）定制系統(tǒng)先后于2012年底和2014年中獲得CE標識和FDA批準，Rewalk P成為FDA批準的第一個個人用外骨骼系統(tǒng)（FDA要求在有人監(jiān)督情況下使用ReWalk），也是在歐洲市場最早獲得保險覆蓋的個人用機器人外骨骼產品。招股書提及至少2年內不會有競爭對手個人用產品獲批，公司在全美個人用外骨骼市場有先發(fā)優(yōu)勢（14Q3開始銷售）。 在研產品方面，招股書提到目前產品僅針對脊髓損傷患者，未來產品將進一步拓展到多發(fā)性硬化癥（在研）、中風和腦癱患者。另外，在研產品還包括一款ReWalk Q/Quadriplegia，主要用于四肢癱瘓患者，這部分患者無法支撐拐杖，因此ReWalk Q將配備底輪拐杖（上圖最右），公司預期近期完成ReWalk Q的研發(fā)，之后開始臨床試驗和監(jiān)管申請。 目前，ReWalk已進入全球24家康復中心（北美15、歐4國8中心、中東1），共售出60臺康復機器人和18臺個人用機器人。公司與日本工業(yè)機器人制造商安川電機（市值34億美金）簽署戰(zhàn)略合作，拓展亞洲市場，安川電機擁有一部分ReWalk股權，ReWalk未來也將幫助安川在歐美市場經銷安川部分在研醫(yī)療機器人。

 

　　產品性能介紹

 

　　Rex機器的優(yōu)劣勢均很明顯，Rex是唯一一家無需拐杖支持的自助式設備，適用于四肢癱瘓患者，即便是下肢癱瘓患者，也可以體會“解放雙手”的方便，這可能也是創(chuàng)始人切身需求，但Rex在步態(tài)和可調節(jié)方面具有明顯劣勢，公司表明下一代產品會有所改善，HAL和Ekso在步態(tài)方面非常自然。另外，ReWalk在研產品ReWalk Q將會針對四肢癱瘓人群，由底輪驅動拐杖前進并保持行走平衡，ReWalk創(chuàng)始人亦是四肢癱瘓患者，ReWalk Q或成為額繼Rex之后第二款針對四肢癱瘓患者的外骨骼產品。 生物意識控制技術目前僅有HAL一家實現(xiàn)，且有專利支持，該技術天然支持HAL用于中風患者，Ekso通過可變助力軟件介入該患者市場，其他產品基本還是停留在運動神經疾病致癱患者（脊髓損傷、多發(fā)性硬化癥等）。 電池使用壽命方面，作為唯一一個被FDA批準的個人用機器人外骨骼產品，ReWalk的電池壽命優(yōu)勢相當明顯，間斷使用下可持續(xù)一整天，連續(xù)使用持續(xù)3-4小時，Ekso的機器人電池可持續(xù)6小時，HAL和Rex的電池壽命低于2小時，HAL目前沒有個人用產品。 相比而言，HAL比ReWalk/Ekso輕巧一倍，ReWalk和Ekso機器重23kg（電池~5kg），而HAL僅為12kg重（無線電池~2kg），盡管ReWalk和Ekso聲稱行走時機器人重量由地面承重，但一位使用HAL的日本老人受訪時表示HAL太重，那么ReWalk/Ekso的重量可能對部分患者壓力更大。