外骨骼是如何幫助人類實現「能量翻倍」的

出品：科普中國

製作：Get tech

監製：中國科學院計算機網路信息中心

電影《明日邊緣》中演繹的外骨骼，能使人類跑得更快、跳得更高、更具攻擊性。這在電影中司空見慣，在現實中，外骨骼技術已有20多年的歷史，但主要在實驗室和試驗場應用。

一、外骨骼的原理

外骨骼，顧名思義，是放在人體外面的骨架，這個骨架能夠幫助人做到以前做不到的事情。外骨骼技術就是在人體各個關節和活動部位安裝上電機，通過大量的感測器捕捉人體動作，加上一套控制演算法，讓外骨骼和人類的行為一致，從而幫助人類工作。

使用了與EXOSUIT一樣的伺服系統，使機甲雙手可以完全複製人類的動作。

外骨骼可以分擔70%以上的重量和壓力，穿上外骨骼，骨瘦如柴的人，能輕鬆地抬起上百公斤的物品。這是因為穿上外骨骼後，感測器會讓外骨骼遵循人的動作，控制演算法和安全系統會計算電機需要提供多大的力量。

1889年Ira C.C. Rinehart的Walking Machine行走輔助裝置

動力外骨骼通過感測器收集使用者的信息，這些信息經過處理，啟動相應的機械部件傳輸能量。

在動力外骨骼中，與皮膚接觸的壓力感測器收集肌肉收縮的強度和方向，感應操縱者的意圖，並把收集到的數據傳遞給信息處理器。然後把指令傳遞給相關的關節，通過關節內部的液壓機構傳動裝置產生精準的力量。在現代信息技術的幫助下，動力外骨骼的反應讓使用者幾乎感覺不到它的存在。

動力外骨骼包含角辨向器、肌電感測器、地面感測器、肌肉壓力感測器等等，輸出機械系統有很多，比如常見的液壓系統和氣壓系統。

二、外骨骼的應用史

外骨骼在美國科幻電影中已有數十年的歷史，但是它並沒有很快成為一個實踐性的概念。

目前人類主要在軍事、醫療兩個領域使用外骨骼系統。

在醫療方面，外骨骼系統主要被應用在神經康復訓練領域。它用於幫助下肢功能康復訓練，機械骨骼高效的康復訓練非常適合老年人和殘疾人。外骨骼被設計用來幫助截癱患者獲得站立、行走的能力，同時也用來幫助中風患者再次學會如何行走。外骨骼被設計為通過拐杖上的按鈕進行控制，當然也受到使用者體重的影響。最早的外骨骼應用，可以追溯到1830年的Robert Seymour提出的Walking by Steam蒸汽動力行走輔助裝置，和1889年Ira C.C. Rinehart的Walking Machine行走輔助裝置。日本的HAL-5（第五代外骨骼系統）被應用於無力援助的情況下的肌肉萎縮或腦、脊髓功能損傷的人。相關數據顯示，脊髓損傷每年的治療成本達到400億美元，27.3萬為脊髓損傷引起的全癱病人，每年新增病例1.2萬。將外骨骼應用於醫療康復訓練，具有很大的市場空間。

在軍事方面，打造軍事強國是外骨骼發展的源動力。2001年，美國國防高級研究計劃局撥出5000萬元用于軍事用途的外骨骼項目研發。美國、俄羅斯、法國等多個國家，都在研究採用外骨骼系統進行軍需物資搬運、強化士兵的戰鬥力。外骨骼自身具有能量供應裝置，它繼承了大量的作戰武器和現代化通訊系統，幫助提高國家的軍事能力。比較著名的有美國的「TALOS」項目、俄羅斯的「勇士-21」和法國的「大力神」。

另外，在工業方面，外骨骼也有應用，主要在緊急援助、高危工作上。外骨骼可以幫助生產線上的工人減少重複勞作的壓力，可以作為手臂支撐重物。

三、外骨骼技術的成果

現在的外骨骼可以設計的輕巧舒適，可以設計得像鋼鐵俠一樣全身密不透風。

外骨骼技術目前只是取得了初步的進展，並沒有形成大規模的產業。未來有五個方向：

1.利用電壓變化使人造肌肉纖維收縮或伸張，產生力量；

2.控制系統完善；現在的外骨骼技術僅僅限於簡單的動作，或者對機器人關節或末端執行器進行單個或者少數幾個自由度的孤立控制，未來控制系統的完善是趨勢；

3.機械結構設計：除了滿足基本的行走功能外，還需要兼顧安全性、兼容性、舒適性；

4.能量源的補給，外骨骼需要滿足24小時的能量補給；

5.外骨骼需要使得使用者驅動靈活。

未來，在醫療行業，外骨骼則主要被用於輔助和擴展人體的功能；在軍事行業呢？在建築行業，可能會利用外骨骼技術拿起沉重的工具，或在外表面作業。

目前，外骨骼技術的發展水平還不能做到像電影一樣變換自如，但是依靠人力控制和腦電波控制，已經將人的能力提高到了更高的水準。

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