人類對(duì)“外骨骼”的探索，始于19世紀(jì)末的奇思妙想。
1890年，俄羅斯發(fā)明家尼古拉·亞格恩首次提出將無源機(jī)械結(jié)構(gòu)“穿”在人體上增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力的構(gòu)想。
后來隨著蒸汽機(jī)與內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始渴望用外部能源為“外骨骼”裝甲注入新動(dòng)力。
1917年，美國發(fā)明家萊斯利·凱利設(shè)計(jì)了一部名為“Pedomotor”的步動(dòng)輔助裝置。該裝置由蒸汽驅(qū)動(dòng)，奠定了現(xiàn)代動(dòng)力外骨骼的研發(fā)基礎(chǔ)。不過，在實(shí)際使用時(shí)，穿戴者必須背負(fù)一臺(tái)小型蒸汽機(jī)，這給使用者增加了較大身體負(fù)重。同時(shí)，“Pedomotor”僵硬的關(guān)節(jié)與粗糙的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，使其難以隨人體運(yùn)動(dòng)完成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形，最終無奈擱淺。
外骨骼機(jī)器人的第一次重大突破發(fā)生在1967年。
這一年，美國通用電氣公司研制的“Hardiman”外骨骼機(jī)器人原型機(jī)橫空出世。這款原型機(jī)采用半仿生構(gòu)型設(shè)計(jì)，通過液壓驅(qū)動(dòng)使該機(jī)器人具備30個(gè)關(guān)節(jié)自由度，能輔助普通人輕松舉起一百多公斤重的物體。然而，“Hardiman”680公斤的自重、遲緩的動(dòng)作節(jié)奏和驚人的能耗，嚴(yán)重限制了該機(jī)器人項(xiàng)目的落地。最終，該公司不得不放棄這一項(xiàng)目，留下了一地“鋼鐵殘骸”。盡管如此，“Hardiman”的誕生依然為外骨骼機(jī)器人的未來探索指引了方向。
進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著材料科學(xué)、傳感器技術(shù)和控制算法的飛速發(fā)展，外骨骼機(jī)器人踏上了蛻變?yōu)槿祟悺暗诙悠つw”的嶄新階段。
在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)步為肢體功能障礙患者開辟了新的治療路徑。日本東京筑波大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，銀白色的HAL外骨骼機(jī)器人捕捉使用者的肌電信號(hào)，有望為患者重新編織斷裂的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓沉睡的肢體逐漸恢復(fù)健康。
在工業(yè)領(lǐng)域，通過力學(xué)補(bǔ)償和人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，外骨骼機(jī)器人正在為生產(chǎn)制造一線的工人卸下重負(fù)。以德國仿生科技公司開發(fā)的CrayX外骨骼機(jī)器人為例，該機(jī)器人采用高強(qiáng)度碳纖維材料鑄造骨架，兼具輕量化和耐用性的特點(diǎn)。另外，其搭載的智能傳感器系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工人的動(dòng)作姿態(tài)和受力情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整外骨骼機(jī)器人的支撐力度，有效減輕工人的肌肉疲勞和關(guān)節(jié)壓力，從而顯著降低工人因長期重復(fù)勞動(dòng)或負(fù)重作業(yè)導(dǎo)致的職業(yè)損傷風(fēng)險(xiǎn)。
康復(fù)類外骨骼機(jī)器人則更像一位“復(fù)健教練”，主要適用于腦卒中、腦損傷和脊髓損傷等患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者，幫助他們重拾肢體運(yùn)動(dòng)能力。
從能源驅(qū)動(dòng)方式來看，外骨骼機(jī)器人又可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。
主動(dòng)式外骨骼機(jī)器人由外部源直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)輸出輔助力，能夠顯著減輕使用者在運(yùn)動(dòng)過程中的力量負(fù)擔(dān)。其動(dòng)力來源多樣，包括電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)、液壓系統(tǒng)等，配合高精度的傳感器和智能控制算法，不僅能補(bǔ)償因體力不足或傷病造成的肌力缺失，還能增強(qiáng)健康使用者的力量和耐力。
相比之下，被動(dòng)式外骨骼機(jī)器人沒有額外電源，運(yùn)作過程完全依賴使用者的運(yùn)動(dòng)行為。這類設(shè)備通過巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)，將人體動(dòng)作中的能量轉(zhuǎn)化為輔助力，實(shí)現(xiàn)“無中生有”的能量回收與利用，進(jìn)而讓行走變得更輕松。
破繭之路——
技術(shù)攻堅(jiān)的三道關(guān)
從20世紀(jì)60年代美國首次提出“外骨骼機(jī)器人”的概念至今，全球已有多個(gè)國家開展關(guān)于外骨骼機(jī)器人的研究。
盡管世界上已推出多型外骨骼機(jī)器人裝備，但外骨骼機(jī)器人離批量投入市場(chǎng)使用還有一定距離。究其原因，外骨骼機(jī)器人技術(shù)發(fā)展仍面臨諸多關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
——成本高昂，普及受限。作為智能穿戴技術(shù)的“天花板”，外骨骼機(jī)器人集成了多種微型傳感器、驅(qū)動(dòng)器、電腦及其外圍電路和復(fù)雜的控制算法。這種高度集成與復(fù)雜性也伴隨著高昂的元器件成本。
此外，為了追求輕量化、提高穿戴舒適性，外骨骼機(jī)器人往往選用昂貴的鈦合金、硬鋁合金等高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，這些材料的運(yùn)用也讓外骨骼機(jī)器人的身價(jià)水漲船高。
目前，一套基礎(chǔ)版下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的售價(jià)高達(dá)4.5萬至8萬美元，遠(yuǎn)超普通患者的承受能力；應(yīng)用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域的全身負(fù)重外骨骼機(jī)器人，價(jià)格更是令許多潛在使用者望而卻步。這種“高精尖”與“高成本”的門檻，成為外骨骼機(jī)器人技術(shù)普及路上的一道“天塹”。
——結(jié)構(gòu)笨重，舒適欠佳。外骨骼機(jī)器人的骨架通常由金屬連桿構(gòu)成，采用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致其體積較大且有較大重量。通常，一套下肢外骨骼機(jī)器人的重量有10至30公斤。
此外，使用者穿戴下肢外骨骼機(jī)器人時(shí)，需要使用多層綁縛帶將金屬框架與人體腰、腿等部位多點(diǎn)錨定。這種剛性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來了顯著的問題：當(dāng)使用者邁步時(shí)，外骨骼機(jī)器人的傳動(dòng)桿件與生物肢體形成機(jī)械與人體的雙軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)——金屬連桿的剛性位移軌跡與肌肉牽拉的柔韌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干涉效應(yīng)，迫使穿戴者如同踩著軌道行走，只能改變?cè)械男凶吡?xí)慣。
同時(shí)，人體髖膝踝關(guān)節(jié)原本是具備6個(gè)自由度的精密球鉸系統(tǒng)，而傳統(tǒng)外骨骼機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)往往被簡(jiǎn)化為單軸鉸鏈結(jié)構(gòu)。這種降維設(shè)計(jì)的機(jī)械關(guān)節(jié)在三維空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與人體關(guān)節(jié)瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的偏差，會(huì)通過金屬框架傳導(dǎo)為持續(xù)的作用力差。這猶如將精密齒輪組與簡(jiǎn)單鉸鏈強(qiáng)行嚙合，最終將造成使用者身體肌肉的代償性疲勞。
——續(xù)航受限，效能打折。外骨骼機(jī)器人的續(xù)航能力一直是制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一。受限于當(dāng)前電池技術(shù)的能量密度以及自身的重量負(fù)擔(dān)，大多數(shù)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)陷入了“充電兩小時(shí)，工作一刻鐘”的尷尬境地。
以美國伯克利大學(xué)研發(fā)的BLEEX外骨骼機(jī)器人為例，盡管設(shè)計(jì)先進(jìn)，但在背負(fù)30余公斤物品行走的情況下，“BLEEX”能量儲(chǔ)備僅能維持自身120分鐘的持續(xù)運(yùn)作。而雷神公司的XOS1機(jī)器人更是“電量焦慮”的典型代表——雖然功能強(qiáng)大，但自帶的電池卻只能持續(xù)供能40分鐘。續(xù)航能力的不足，束縛了外骨骼機(jī)器人邁向軍事、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用天地。
因此，在突破續(xù)航瓶頸的科技攻堅(jiān)中，能量存儲(chǔ)與分配系統(tǒng)的迭代升級(jí)，正逐步成為外骨骼機(jī)器人技術(shù)持續(xù)進(jìn)化的關(guān)鍵突破口。
盡管面臨成本、舒適性與續(xù)航能力的三重挑戰(zhàn)，新型材料、腦機(jī)接口和仿生算法的突破還是為外骨骼機(jī)器人技術(shù)描繪出了清晰的發(fā)展路徑——更輕薄的骨架將取代傳統(tǒng)框架；固態(tài)電池與無線充電技術(shù)正在改寫續(xù)航規(guī)則；AI深度學(xué)習(xí)算法賦予的“預(yù)判式輔助”將使機(jī)械運(yùn)動(dòng)如臂使指。到那時(shí)，這場(chǎng)始于19世紀(jì)末的機(jī)械狂想，終將實(shí)現(xiàn)它的“承諾”：讓科技進(jìn)步延伸至人類的肢體，為社會(huì)發(fā)展帶來更多便利。
