機器與人類的結合：外骨骼機器人 的現狀和趨勢

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機器與人類的結合是一種通俗的說法，專業術語叫外骨骼機器人。

外骨骼機器人聽起來很拗口，其實大家應該都並不陌生，相信看過鋼鐵俠的人都被他的那套無所不能的裝備折服，不過這離我們還比較遙遠。離我們比較近的是在好萊塢科幻大片《明日邊緣》中，外骨骼被湯姆·克魯斯和士兵穿上後立馬成為超級戰士，戰鬥力爆棚。

雖然這是科幻片的劇情，但是並不是異想天開。外骨骼機器人其實已經有了不少應用，目前主要應用有三個領域。一是軍事領域，一個是醫療領域，還有就是最近幾年才興起的工業領域。

軍事領域

其實，外骨骼機器人最早就是來源於軍事領域。早在2000年，美國國防部為了增強士兵體能，提高單兵作戰能力，提出了「外骨骼機器人」概念。我們可以簡單的理解為它是附著於人體外部的「人工智慧」。它為穿戴者提供保護，並根據人的肢體活動來感應、驅動機械關節執行動作，幫助使用者跑得更快、跳得更高、負重能力更強。

目前最知名的軍事外骨骼機器人有兩個，一個是美國雷神(Raytheon)公司的XOS，一個是洛克希德馬丁（Lockheed Martin)公司的人類外骨骼負重系統（Human universal load carrier，簡稱HULC)。這兩家公司都是美國國防部的巨額資助對象。這兩家公司研究的側重點並不一樣，雷神公司專註研究全身機械外骨骼，而洛克希德馬丁公司專註研究可增強下肢能力的機械外骨骼技術。

這裡簡單介紹一下雷神公司的XOS 2。該系統2010年推出，自重95kg，由各種感測器指定所需的力和位置，由自帶的液壓發動機提供動力。衡量它的性能的一個重要指標就是搬運重量的實際和察覺比，XOS2這款設備可以將實際和覺察比做到17：1，也就是說搬運170公斤的重物時，穿戴者會感到只搬運了10公斤。藉助於這種外骨骼，士兵可輕鬆將90公斤重的重物舉起幾百次，卻不會感到疲勞，此外，還可重複擊穿3英寸(約合7.62 厘米)厚的木板。

聽起來非常神奇，可是有讀者可能會有些疑問，設備自重都有95kg，會不會普通人穿上根本走不動呢？答案是否定的，因為該套外骨骼裝備由內燃液壓發動機提供動力 ，無需人類承擔，穿著這套外骨骼裝備的士兵可以正常行走，甚至跑步。它不但不笨重，而且非常敏捷，可以穿著上下樓梯，甚至可以踢足球。如下圖所示是士兵穿著這套裝備踢足球的畫面。穿上這款設備的士兵可以承擔約3個士兵的工作量，可以幫助軍方應對戰場內外大量的後勤工作。

醫療領域

外骨骼機器人第二個主要應用領域就是醫療康復領域。

該領域主要使用對象是腿腳不便的老年人及殘障人士，穿戴了外骨骼機器人後，可以輔助恢復其腿部的行走能力，甚至幫助癱瘓在床的殘障人士重新站立行走。這個領域的就佼佼者是以色列的Rewalk、日本的Cyberdyne、美國的EksoEkso Bionics 公司。

如下圖所示是EksoEkso Bionics的產品Ekso（原名eLEGS）。該產品的目標是幫助截癱者和其他活動不便者站立和行走。Ekso重20千克，由液壓驅動，最高速度能達到3.2 km/h，電池可持續6個小時。

國內面向醫療康復的骨骼機器人發展相對滯後。不過最近兩年，國內也出現了幾家商用的康復醫療外骨骼機器人公司。比如深圳邁步機器人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，但目前都還沒有企業獲得CFDA認證。

工業領域

外骨骼機器人第三個應用領域就是工業領域。屬於最近幾年新興的，也是我們要重點介紹的領域。

這裡先講個小插曲，介紹一下外骨骼機器人是如何從醫療康復用途過度到工業領域的。2011年3月，日本發生了里氏9.0級的大地震，這種級別的地震影響非常大，引發了巨大的海嘯，對日本東北部多個地區造成毀滅性破壞，其中就包括福島縣。更不幸的是，地震導致福島第一核電站出現了嚴重的核泄漏。當時泄漏現場核輻射非常強，為了保護核電站現場搶險人員的安全，他們工作期間必須穿著60千克重量的防輻射服裝，這基本上等於背著一個成年人在工作，工作效率極低，並且無法長時間工作。

當時日本的一家做醫療康復外骨骼機器人的公司，叫Cyberdyne，看到了新的機會，他們把自己設計的一款輔助殘障人士行走的外骨骼設備HAL（混合輔助假肢，如下圖所示）結合防護服重新進行改造。

改造後的防護服本身具有感應裝置，一旦感受到移動，機器支架便會輔助人員完成相應動作，使得工作人員可以省力的自由移動 。由於負重能力增強，還加裝了防伽瑪射線的隔板，可減少原先輻射量的60%。

此外，內部還配備了監測使用者生命象徵的感測器，還加裝了空調系統，以防止工作人員在建築物反應堆內受熱中暑。可以說是非常人性化了。如下圖所示是一張核電站工作人員實驗的圖片。

之後，有不少公司開始研發麵向物流、建造、伐木、搶險等這些勞動強度很大的行業的外骨骼機器人。

這方面日本松下算是後起之秀，2016年松下旗下的Activelink公司研發了面向工業領域的外骨骼機器人，主要有三款產品，本文主要介紹用於貨物搬運的AWN-03。

我們知道工人在工廠搬運貨物時，需要經常彎腰，時間長了腰部會非常酸痛。小時候在田裡幫大人插過秧的聽眾想必都深有同感，插一天秧整個人都要廢了，這還是對於插秧這種不需要負重的情況。松下的這款設備就是用來幫助工人自動減輕搬運過程中的負重。如下圖所示是工人穿著這套設備搬運貨物的情景。

這款機器人有三大特點：

1. 穿戴非常容易，不需要別人幫助，一個人就能很方便的穿上或者脫掉。
2. 整個工作過程自動化。首先你穿著它可以正常走路，沒有任何不舒適的感覺。然後你開始彎腰搬運重物，設備上的感測器可以自動檢測到你彎腰準備搬運的動作，電機通過傳動裝置為人體的四肢自動提供外部動力，可以輕鬆地幫工人減輕15公斤左右對腰部的負擔。可能很多人對這個15公斤沒什麼概念，這裡打個比方，我們辦公室常見的那種可以加熱的桶裝水，裝滿水差不多19公斤，也就是說你穿著這套裝備搬一桶桶裝水基本不需要費多少力氣。
3. 該設備一次充電可以持續使用8個小時，也就是一個工作日的時間。

此外，松下還有一款用於長途行走、攀爬的外骨骼機器人，型號是PLN-01，它還有個形象的名字「忍者」。還有一款叫Power Loader的外骨骼機器人，面向專業領域，主要在更大型的生產基地、倉庫中工作，或者參與一些重大的災難救援工作。這裡不多做介紹。

總結現狀和趨勢

1、總結現狀

我們來總結一下外骨骼機器人的發展現狀。目前國內外發展比較好的都是醫療康復型外骨骼機器人，主要有三個原因：

1. 隨著老齡化社會的來臨和醫療水平提升，人們對康復醫療的需求越來越大。
2. 相比于軍事領域，康復醫療領域的門檻相對較低，
3. 各國在政策上也比較支持。而軍用機器人的研發周期一般都比較長，而且需要重金投入，技術門檻和政策門檻也很高。

2、外骨骼機器人將來會如何發展呢？

我的觀點主要有如下幾點：

1. 由於人口老齡化的發展、人類壽命的延長、以及醫療水平的提高，醫療康復類外骨骼機器人未來幾年會迎來一個小爆發期
2. 人口紅利的消失，促進了工業用外骨骼機器人的應用，目前在幫助人類減輕負重、提升力量、提升工作效率等方面有了初步的應用。
3. 外骨骼和特定目標人群結合的應用。外骨骼設備也許可以用到教育、體育等方面，比如藉助外骨骼學習運動技能。舉個開腦洞的例子，初學者學習游泳往往很難，這是因為單純的口語教學很難變成肌肉記憶，使得很多人一直使用錯誤的動作，卻意識不到。如果能夠通過外骨骼設備設定一連串標準的游泳姿勢，牽引人類進行重複練習，慢慢形成肌肉記憶，應該是一個不錯的學習方式。

討論：關於外骨骼機器人將來的發展方向，你還有哪些開腦洞的應用？歡迎留言

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