無獨有偶，福特公司最近宣布與Ekso Bionics公司合作，在美國的兩家汽車工廠內(nèi)對外骨骼機器人進行測試，并展示出了實際應(yīng)用的視頻。這款機器人能夠幫助工人減輕五到十五磅的重量，從而減緩每天4600個日常高空作業(yè)任務(wù)對工人上半身所造成的壓力。

 

　　有京東和福特這樣的知名公司帶頭，可以預(yù)見，外骨骼機器人將很快在各大工廠應(yīng)用起來。對普通員工來說，借助外骨骼機器人能夠減輕工作中身體的負重壓力，降低肩周炎、腰椎鍵盤突出等常見慢性疾病的發(fā)病率，確實是令人欣喜的好消息。

 

　　為關(guān)心員工的好公司點贊的同時，我們不禁想搞明白，外骨骼機器人到底是什么高科技？穿上了它，是不是就擁有了鋼鐵俠的超強能力？

 

　　可以肯定的是，影視作品中的“高科技”往往極度超越現(xiàn)實。雖然人工智能技術(shù)正處在飛速發(fā)展階段，但是現(xiàn)實生活中的外骨骼機器人的研發(fā)速度并沒有那么快。智能相對論（微信號：aixdlun）簡要講述外骨骼機器人的前生今世，共同了解這項可能改變?nèi)祟惿顮顟B(tài)黑科技。

 

 

　　2000年，美國國防部基于增強士兵體能，提高單兵作戰(zhàn)能力的目的，提出“外骨骼機器人”概念。實際上，外骨骼機器人不同于我們在以往的軍事戰(zhàn)爭或科幻電影中所見到的鐵甲洪流，而是附著于人體外部的“人工智能”。它為穿戴者提供保護，并根據(jù)人的肢體活動來感應(yīng)、伺服、驅(qū)動機械關(guān)節(jié)重現(xiàn)動作，用以提供額外的動力，幫助使用者跑得更快、跳得更高、負重更強。

 

　　美國軍方研制招標(biāo)書提出4個要求：1.外骨骼系統(tǒng)必須能夠保護穿戴者，以大幅度減少傷亡。2.外骨骼系統(tǒng)攜帶的能源必須能夠維持24小時的工作，而且必須輕且完全無聲。3.外骨骼系統(tǒng)必須能夠讓士兵背負更大質(zhì)量的同時仍然能夠跑得更快、跳得更高更遠。4.必須采用流暢、高效且完全無聲的液壓元件。

 

　　在美國國防部的巨資支持下，雷神（Raytheon）公司的XOS和洛克希德馬?。↙ockheed Martin）公司的人類外骨骼負重系統(tǒng)（Human universal load carrier，HULC）脫穎而出。同樣是研究外骨骼機器人，兩家公司的區(qū)別在于，雷神公司專注研究全身機械外骨骼，而洛克希德馬丁公司專注研究可增強下肢能力的機械外骨骼技術(shù)。

 

　　從2000年開始立項，Sarcos Research經(jīng)過6年研發(fā)，制作成功了第一款原型機XOS 1，也是XOS 2的原型。XOS 1搬運重量的實際和察覺比為6：1，也就是說搬運60公斤的重物時，穿戴者會感到只搬運了10公斤。2007年，雷神公司收購了Sarcos Research，并在2010年推出XOS 2。XOS 1當(dāng)初設(shè)計的目的最主要是證明理論的可行性，XO2才對性能有了更高的要求，需要更輕、更快、更強的設(shè)計，并且需要降低能源消耗。XOS 2自重95公斤，相比第一代產(chǎn)品的重量輕了10%，搬運重量的實際和察覺比為17：1， 能源消耗也降低了50%。

　　雷神公司的XOS2

 

　　2004年，大名鼎鼎的加州大學(xué)伯克利分校下屬人體工程和機器人實驗室成功研發(fā)出伯克利下肢外骨骼（BLEEX）——這就是HULC的原型。2009年推出HULC，同時授權(quán)洛克希德·馬丁公司在軍事領(lǐng)域?qū)ζ溥M行推廣。HULC自重24公斤，由背包式外架，金屬腿框架及相應(yīng)的液壓驅(qū)動設(shè)備組成，穿戴者攜帶的負荷不會作用在本人身上，而是直接經(jīng)由機械外骨骼傳至地面。HULC的功能主要包括力量增強和耐力增強兩項。力量增強體現(xiàn)在士兵佩戴后可搬運90公斤的重物而毫無感覺；耐力增強體現(xiàn)為在3.2 km/h的行動速度下可降低5%~12%的氧氣消耗。

　　洛克希德·馬丁公司的HULC

 

 

　　2014年巴西足球世界杯開幕式上，一名下肢癱瘓少年穿著智能機械骨骼外衣開球的颯爽英姿勁爆了全場，向全球展示了康復(fù)外骨骼機器人的異樣風(fēng)采，也使這個集人機信息交互、機器人自動控制、神經(jīng)康復(fù)工程等多學(xué)科知識于一身的高科技新成果引起世人矚目。

 

　　針對腿腳不便的老年人及殘障人士，外骨骼機器人可以輔助或者恢復(fù)其腿部的行走移動，從而提高老年人及殘障人士的生活質(zhì)量。針對正常人，外骨骼機器人可以提高穿戴者的負重能力，并減少體能消耗。

 

　　2013年，日本筑波大學(xué)HAL的第五代產(chǎn)品HAL 5上市，同年2月獲得了國際安全認證，是第一家獲得該認證的機械外骨骼。同年8月，HAL 5獲得歐盟認證，允許其在歐盟境內(nèi)進行醫(yī)學(xué)治療。HAL重量只有10公斤，基本滿足常人的承受力。通過感測體表的一些生物信息，例如肌肉的運動還有神經(jīng)電流的改變，HAL可以模擬穿戴者的動作。并且在平行的方向上增強穿戴者的力量和耐久。目前HAL已于日本上市，被認為是最成熟的民用外骨骼系統(tǒng)。

　　日本筑波大學(xué)HAL5

 

　　ReWalk是以色列ReWalk Robotics公司的明星產(chǎn)品，同樣拿到了美國FDA的認證，進入了上市銷售階段。它是一種可穿戴式輔助運動的下肢外骨骼，幫助腰部以下脊髓損傷的人重新實現(xiàn)獨立行走的外骨骼機器人。它由腿部支架、獨立控制的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)電機、充電電池、附著于關(guān)節(jié)框架的計算機系統(tǒng)以及一副控制平衡的拐杖組成。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處均包含可驅(qū)動的屈伸自由度，踝關(guān)節(jié)處則設(shè)有帶限位作用的雙向矯正關(guān)節(jié)，可以防止人體受到傷害。

 

　　2016年5月，哈佛大學(xué)懷斯研究所發(fā)布了與ReWalk公司合作研發(fā)的新一代外骨骼機器人，其采用可穿戴傳感器的拉伸檢測運動，之后通過拉索驅(qū)動踝關(guān)節(jié)的動作，從而實現(xiàn)動作驅(qū)動。

 

　　國內(nèi)對于外骨骼機器人技術(shù)的研究開展較晚，發(fā)展較緩，與國際水平相差較遠。在人工智能浪潮的推動下，中國也有大量上市公司和創(chuàng)業(yè)公司開始涉足這一領(lǐng)域，如2017年深圳邁步機器人發(fā)布其首款面向偏癱患者的外骨骼機器人BEAR H1、上海傅利葉智能外骨骼機器人Fourier X1等等，但目前還沒有企業(yè)獲得CFDA認證，也因此并未真正有產(chǎn)品完全進入到商用。

 

　　從劉強東發(fā)布的視頻來看，京東外骨骼機器人動力系統(tǒng)很可能采用了結(jié)構(gòu)較為簡單的氣壓驅(qū)動。氣壓驅(qū)動式動力系統(tǒng)在有負荷的作用下，速度容易發(fā)生波動，不適用于較為精密的場合，只能在小功率場合應(yīng)用，想要開發(fā)出高精密的外骨骼機器人可能還有較長的路要走。

 

　　盡管外骨骼機器人取得了不少的成就，但無法回避的現(xiàn)實是，目前技術(shù)上仍然面臨不少困難，例如，常見的液壓系統(tǒng)所處的工作環(huán)境遠比常規(guī)的地面液壓系統(tǒng)復(fù)雜，液壓系統(tǒng)在運動時常發(fā)生晃動、傾斜，同時系統(tǒng)中液壓介質(zhì)的容量也隨時發(fā)生變化，也容易導(dǎo)致運行不流暢、噪音大、可靠性不足。

 

　　用“鋼鐵俠”的標(biāo)準(zhǔn)來評判外骨骼機器人是否成熟可能有點高，但無論如何，作為帶輔助性質(zhì)的人工智能器具，至少需要滿足三點要求：智能化反饋足夠及時，佩戴足夠舒適，續(xù)航足夠持久，這樣的外骨骼機器人才能算得上成熟，而目前這三點都面臨一定的困難。

 

　　首先，足夠及時的智能化反饋是操作是否流暢、體驗是否良好的首要條件。在最基本的動作同步上，目前肌電信號采集的方法有很嚴(yán)格的外界環(huán)境限制，傳感器會因汗液等細微因素的影響而受到干擾，使得外骨骼在進行動作的反饋時產(chǎn)生延遲，難以勝任高難度動作。而更智能的外骨骼機器人，應(yīng)能夠在人機交互環(huán)路中可以準(zhǔn)確及時檢測識別用戶大腦的運動意圖，達到所思即所動的理想運動控制效果。

 

　　其次，佩戴舒適是輔助器具的基本要求。目前的外骨骼機器人受限于外骨骼捆綁式的穿戴方法，會對人體造成壓迫，導(dǎo)致血液不暢、肌肉變形，并因此影響外骨骼的定位精度。外骨骼機器人在未來還必須在增加外骨骼關(guān)節(jié)自由度、能更舒服地穿戴外骨骼后全方位地自由運動上下功夫。

 

　　最后，較為持久的續(xù)航才能有產(chǎn)品實用性，而從直觀的參數(shù)上來看，目前的外骨骼機器人依然沒有完全達到2000年美國國防部就提出來的要求，比如HAL5的續(xù)航時間只有160分鐘、ReWalk的續(xù)航時間只有3.5小時，遠低于24小時的整天續(xù)航要求。這需要輕而堅固的復(fù)合材料和便攜式的持久電源兩方面的技術(shù)突破，這不只是外骨骼機器人的，也是其他很多電子設(shè)備都面臨的共同難題。

 

　　由此可見，普適的三點要求都還存在一定困難，要想穿上一秒變身鋼鐵俠，目前還難以實現(xiàn)。不過，科技總是在奔涌向前，隨著新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，在不遠的將來一定會有更高級智能人機交互、更加靈活舒適運動功能的外骨骼機器人產(chǎn)品投入市場，造福普羅大眾。