科技前沿丨上的外骨骼机器人穿在身

　　“穿”在身上的穿外骨骼机器人 。

　　■宋可旸 王睿婷 朱少阳。科技

第十一届国际互联网大会上 ，参观者体会外骨骼机器人帮忙转移重物。丨身骼机新华社发。外骨

以色列一家公司研制的ReWalk系列外骨骼机器人。供图：阳明。科技

　　近来 ，前沿器人以色列一家公司宣告，丨身骼机其最新研制的外骨外骨骼机器人——ReWalk7行将上市 。据悉，穿凭仗立异的科技技能规划 ，这款医用智能辅佐设备有望协助瘫痪患者独立行走  。前沿器人

　　喜爱科幻电影的丨身骼机朋友 ，必定对《钢铁侠》《漂泊地球》中的外骨机甲兵士形象深入 。现在，这种科幻设想已从荧幕跃入实际，成为人类打破生理极限的“第二层皮肤”。伴跟着信息化 、智能化技能的迅猛展开
，外骨骼机器人连续推出“加强版”“晋级版”“未来版” ，助力人类不断拓宽自己的才能鸿沟。

　　那么，什么是外骨骼机器人？它有哪些运用场景 ？又面对哪些机会与应战
？请看本期解读 
。

　　奇思铸甲——。

　　“钢铁侠”的百年进程
。

　　一般来说，外骨骼机器人是指一种可穿戴于人体外部的智能机械设备
。该设备经过将人体的感觉、思维和运动等与机器的传感体系、智能处理中心及操控履行体系相结合
，到达改进人体物理机能等目的，其本质是一类可完结人机结合的可穿戴式机器人。

　　人类对“外骨骼”的探究 ，始于19世纪末的奇思妙想
。

　　1890年，俄罗斯发明家尼古拉·亚格恩初次提出将无源机械结构“穿”在人体上增强运动才能的设想
。

　　后来跟着蒸汽机与内燃机技能的展开 ，人们开端巴望用外部动力为“外骨骼”装甲注入新动力。

　　1917年 ，美国发明家莱斯利·凯利规划了一部名为“Pedomotor”的步动辅佐设备 。该设备由蒸汽驱动 ，奠定了现代动力外骨骼的研制根底  。不过，在实际运用时，穿戴者有必要担负一台小型蒸汽机，这给运用者增加了较大身体负重 。一起 ，“Pedomotor”生硬的关节与粗糙的动力学规划，使其难以随人体运动完结杂乱的结构变形
，终究无法停滞 。

　　外骨骼机器人的第一次重大打破发生在1967年
。

　　这一年，美国通用电气公司研制的“Hardiman”外骨骼机器人原型机横空出世 。这款原型机选用半仿生构型规划，经过液压驱动使该机器人具有30个关节自由度 ，能辅佐一般人轻松举起一百多公斤重的物体。但是，“Hardiman”680公斤的自重、缓慢的动作节奏和惊人的能耗，严峻约束了该机器人项目的落地 。终究
 ，该公司不得不抛弃这一项目，留下了一地“钢铁残骸” 。虽然如此，“Hardiman”的诞生仍然为外骨骼机器人的未来探究指引了方向
。

　　进入21世纪后，跟着资料科学 、传感器技能和操控算法的飞速展开，外骨骼机器人踏上了蜕变为人类“第二层皮肤”的簇新阶段。

　　在医疗恢复范畴，外骨骼机器人技能的立异前进为肢体功用障碍患者拓荒了新的医治途径。日本东京筑波大学的试验室里，银白色的HAL外骨骼机器人捕捉运用者的肌电信号，有望为患者从头织造开裂的神经网络，让熟睡的肢体逐渐恢复健康。

　　在工业范畴 ，经过力学补偿和人体工程学规划，外骨骼机器人正在为出产制作一线的工人卸下重负 。以德国仿生科技公司开发的CrayX外骨骼机器人为例 ，该机器人选用高强度碳纤维资料铸造骨架，兼具轻量化和经用性的特色。别的 ，其搭载的智能传感器体系可实时监测工人的动作姿势和受力状况 ，动态调整外骨骼机器人的支撑力度 ，有用减轻工人的肌肉疲劳和关节压力，然后明显下降工人因长期重复劳动或负重作业导致的作业损害危险。

　　在军事配备的立异浪潮中，外骨骼机器人的引进，为进步单兵作战才能拓荒了新的途径 。

　　例如，美国伯克利仿生科技公司研制的“人体负重外骨骼” ，不只结构轻盈 ，负重才能也超越100千克 。穿戴这种“外骨骼”的战士  ，不只可以轻松担负重型配备行军，还能一起完结在掩体后蹲姿射击等高难度战术动作。此外，该体系能明显下降人体对氧气的耗费，大幅进步单兵的继续作战和战场机动才能 。

　　多维战衣——。

　　“外骨骼”的构型图谱。

　　作为人机协同技能的重要载体，外骨骼机器人的分类体系可根据多维度的技能特征与运用场景进行构建
。

　　从特定部位来看 ，外骨骼机器人可分为上肢
、下肢和全身三大类型。

　　上肢外骨骼机器人类似于给手臂和肩部披上“机械肌肉”，助力运用者轻松举起重型东西 ，完结精细安装作业 。下肢外骨骼机器人则聚集于对腰腿部位的支撑 ，其自适应支撑结构既能为负重登高的消防员构建动态平衡支点，也能经过仿生步态算法，赋予截瘫患者天然流通的行走节奏。全身外骨骼机器人则更进一步，一般选用模块化规划 ，将机械结构与人体的生物力学耦合，能支撑特定部位的功用强化 ，进步运用者全体运动才能 。

　　从结构规划来看，外骨骼机器人可分为刚性和柔性两类。

　　刚性外骨骼机器人由金属、塑料、碳纤维等硬质资料制成 ，一般具有刚性结构，可认为运用者供给强壮的力气支撑 。但是，它的“硬派”风格也带来了穿戴上的限制——关节活动范围受限，长期运用可能让运用者感到捆绑，乃至影响天然步态。

　　柔性外骨骼机器人则好像一件能供给动力的“衣服” ，一般选用轻质、经用的功用性纺织品制成 。哈佛试验室研制的织物外骨骼机器人是其间的典型代表 。经过轻量化的线缆结构牵引，该机器人协助人类悄然和谐每一步的起落
 ，为行走注入了更天然的步态辅佐。

　　从运用范畴来看 ，外骨骼机器人首要分为增强类外骨骼机器人和恢复类外骨骼机器人 。

　　增强类外骨骼机器人经过活络的传感器和高效的动力单元 ，“无缝联接”运用者的动作目的，为要害部位供给精准的力气弥补 。这类外骨骼机器人常见于需求高强度膂力的场景 ，其中心任务是成为人类体能的延伸，让深重的作业变得轻松可控 。

　　恢复类外骨骼机器人则更像一位“复健教练” ，首要适用于脑卒中
 、脑损害和脊髓损害等患有神经体系疾病的患者，协助他们重拾肢体运动才能。

　　从动力驱动方法来看
，外骨骼机器人又可分为自动式和被动式两类。

　　自动式外骨骼机器人由外部源直接驱动机械结构输出辅佐力 ，可以明显减轻运用者在运动进程中的力气担负。其动力来历多样
，包含电池驱动的电机
 、液压体系等 ，合作高精度的传感器和智能操控算法 ，不只能补偿因膂力缺乏或伤病构成的肌力缺失，还能增强健康运用者的力气和耐力。

　　相比之下，被动式外骨骼机器人没有额定电源，运作进程彻底依靠运用者的运动行为 。这类设备经过奇妙的机械规划，将人体动作中的能量转化为辅佐力，完结“惹是生非”的能量收回与运用  ，从而让行走变得更轻松。

　　破茧之路——。

　　技能攻坚的三道关。

　　从20世纪60年代美国初次提出“外骨骼机器人”的概念至今，全球已有多个国家展开关于外骨骼机器人的研讨
。

　　虽然国际上已推出多型外骨骼机器人配备，但外骨骼机器人离批量投入市场运用还有必定间隔。究其原因 ，外骨骼机器人技能展开仍面对许多要害应战：

　　——本钱昂扬，遍及受限。作为智能穿戴技能的“天花板”，外骨骼机器人集成了多种微型传感器 、驱动器、电脑及其外围电路和杂乱的操控算法。这种高度集成与杂乱性也伴跟着昂扬的元器件本钱
 。

　　此外，为了寻求轻量化、进步穿戴舒适性，外骨骼机器人往往选用贵重的钛合金 、硬铝合金等高强度轻质资料
，这些资料的运用也让外骨骼机器人的身价水涨船高。

　　现在
，一套根底版下肢恢复外骨骼机器人的价格高达4.5万至8万美元，远超一般患者的承受才能；运用于军事和工业范畴的全身负重外骨骼机器人，价格更是令许多潜在运用者望而生畏 。这种“高精尖”与“高本钱”的门槛，成为外骨骼机器人技能遍及路上的一道“通途”。

　　——结构粗笨，舒适欠佳。外骨骼机器人的骨架一般由金属连杆构成，选用刚性结构规划，这导致其体积较大且有较大分量 。一般，一套下肢外骨骼机器人的分量有10至30公斤 。

　　此外，运用者穿戴下肢外骨骼机器人时
，需求运用多层绑缚带将金属结构与人体腰 、腿等部位多点锚定。这种刚性结构的规划带来了明显的问题 ：当运用者跨步时，外骨骼机器人的传动杆件与生物肢体构成机械与人体的双轨运动体系——金属连杆的刚性位移轨迹与肌肉牵拉的柔韧运动发生干与效应，迫使穿戴者好像踩着轨迹行走，只能改动原有的行走习气。

　　一起
，人体髋膝踝关节原本是具有6个自由度的精细球铰体系，而传统外骨骼机器人的旋转关节往往被简化为单轴铰链结构。这种降维规划的机械关节在三维空间中运动时 ，其预设的滚动轴线与人体关节瞬时旋转中心发生的误差，会经过金属结构传导为继续的作用力差。这犹如将精细齿轮组与简略铰链强行啮合 ，终究将构成运用者身体肌肉的代偿性疲劳 。

　　——续航受限，效能打折 。外骨骼机器人的续航才能一直是限制其广泛运用的要害瓶颈之一
。受限于当时电池技能的能量密度以及本身的分量担负，大多数外骨骼机器人体系陷入了“充电两小时 ，作业一刻钟”的为难地步。

　　以美国伯克利大学研制的BLEEX外骨骼机器人为例，虽然规划先进，但在担负30余公斤物品行走的状况下
 ，“BLEEX”能量储藏仅能保持本身120分钟的继续运作 。而雷神公司的XOS1机器人更是“电量焦虑”的典型代表——虽然功用强壮，但自带的电池却只能继续供能40分钟 。续航才能的缺乏，捆绑了外骨骼机器人迈向军事 、医疗和工业等范畴的宽广运用六合
。

　　因而 ，在打破续航瓶颈的科技攻坚中 ，能量存储与分配体系的迭代晋级，正逐渐成为外骨骼机器人技能继续进化的要害打破口。

　　虽然面对本钱、舒适性与续航才能的三重应战，新型资料、脑机接口和仿生算法的打破仍是为外骨骼机器人技能描绘出了明晰的展开途径——更轻浮的骨架将替代传统结构；固态电池与无线充电技能正在改写续航规矩；AI深度学习算法赋予的“预判式辅佐”将使机械运动如臂使指。到那时 ，这场始于19世纪末的机械狂想，终将完结它的“许诺”：让科技前进延伸至人类的肢体 ，为社会展开带来更多便当。

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