來源：果殼
邁步機(jī)器人、傅利葉智能、大艾機(jī)器人等專注于外骨骼機(jī)器人的公司已獲得多筆高額融資，這些公司的產(chǎn)品也在一些特殊領(lǐng)域得以應(yīng)用——
今天是北京冬殘奧會(huì)火炬?zhèn)鬟f的最后一天，上午的火炬手有些特別。裝了上肢助力外骨骼的女火炬手叫彭園園，火炬被緊握在她的機(jī)械手當(dāng)中；另外一位火炬手叫楊淑亭，她借助下肢助力外骨骼站立、行走，火炬插放在她腰間的機(jī)械配件上。
據(jù)賽事相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，彭園園為了實(shí)現(xiàn)自主抓握，配合外骨骼設(shè)備做了九個(gè)月適配訓(xùn)練；而下肢截癱的楊淑亭則花了五個(gè)月時(shí)間，和下肢外骨骼“磨合”，現(xiàn)在已能直立行走，順利傳遞火炬。
這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，和火炬手達(dá)成一種和諧的“共生”關(guān)系：這些機(jī)械裝置能及時(shí)響應(yīng)他們想做但肉身做不到的動(dòng)作，就像是人類機(jī)能的自然延伸一樣。
在 2014 年的巴西世界杯開幕式上，一名癱瘓少年作為開球嘉賓，在腦控外骨骼的幫助下順利開球。
穿著腦控外骨骼裝備的癱瘓少年颯爽開球｜視頻截圖
外骨骼早已不是新鮮事，在上世紀(jì) 60 年代，人類就開始了技術(shù)探索。
穿在身上的機(jī)器人
人類的骨骼被皮膚和肌肉包裹著，屬于內(nèi)骨骼；像螃蟹和蝎子等節(jié)肢動(dòng)物的骨骼，則“暴露”在身體表面，這層分節(jié)嵌合的堅(jiān)硬外殼就是外骨骼（exoskeleton）。這個(gè)生物學(xué)名詞，后來直接被拿來指代裝在人身上的機(jī)電一體化裝置。
簡(jiǎn)單來說，外骨骼是一種可穿戴機(jī)器人，能支撐和保護(hù)使用者的身體，是人體機(jī)能的補(bǔ)充；另外也能通過傳感器“讀懂”他們的動(dòng)作意圖，輔助甚至是放大使用者的動(dòng)作，是對(duì)人體機(jī)能的增強(qiáng)。
比如，失去雙腿的人穿戴下肢外骨骼能站立、行走；瘦弱的普通人穿戴外骨骼后，能扛起的重量勝過舉重冠軍。
外骨骼的技術(shù)研發(fā)始于上世紀(jì) 60 年代，代表項(xiàng)目是由美國國防部支持、通用電氣和康奈爾大學(xué)執(zhí)行的“Hardiman”。他們打造出了一款外骨骼原型機(jī)，用來幫軍人搬抬重物：能將人的力量放大 25 倍，舉 110 公斤的重物就像在拎起一大袋子蘋果。
Hardiman 樣機(jī)｜網(wǎng)絡(luò)
這款 Hardiman 外骨骼的舉重極限是 682 公斤，但它自身的重量也達(dá)到了 680 公斤。它是一套全身外骨骼，金屬關(guān)節(jié)繁雜，足足有 28 個(gè)鏈接頭，用液壓和電力驅(qū)動(dòng)，還配備了力覺反饋感應(yīng)系統(tǒng)。這樣一套龐然大物，每秒只能走 0.76 米。響應(yīng)速度也無法保證，通常是肩關(guān)節(jié)能動(dòng)了，胳膊肘操作不了了，顧此失彼。這對(duì)于軍用場(chǎng)景來說，簡(jiǎn)直就是災(zāi)難，很多科研機(jī)構(gòu)意識(shí)到時(shí)下技術(shù)的極限，就開始轉(zhuǎn)向醫(yī)療康復(fù)場(chǎng)景，比如為截癱患者設(shè)計(jì)站立用外骨骼，研發(fā)電力驅(qū)動(dòng)假肢等等。
外骨骼不是某一個(gè)技術(shù)的“單兵作戰(zhàn)”，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、人機(jī)協(xié)同、能源技術(shù)高度融合的造物。等到 2000 年，外骨骼所需要的技術(shù)都有了突破性的進(jìn)展，從美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助的項(xiàng)目成果 BLEEX 來看，組件已經(jīng)大幅微型化，更靈活，更智能。
BLEEX 外骨骼｜Wevolver
同時(shí)，外骨骼也開始走出實(shí)驗(yàn)室，像 ReWalk、CYBERDYNE、Ekso Bionics 等代表公司陸續(xù)成立。外骨骼產(chǎn)品覆蓋軍事合作、醫(yī)療康復(fù)、災(zāi)場(chǎng)救助、工廠制造等場(chǎng)景。
一副外骨骼都有什么？
外骨骼像是一個(gè)依附在人身上的“生命”——它擁有一個(gè)非常完整的系統(tǒng)，能傳感、控制、驅(qū)動(dòng)，還有充當(dāng)“大腦”的計(jì)算機(jī)，有模擬人骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)、模擬肌肉的致動(dòng)器。
人們一般用電池、燃油和內(nèi)燃機(jī)來驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人。現(xiàn)代的外骨骼，通常由傳感、控制、驅(qū)動(dòng)和機(jī)械系統(tǒng)精密集成。分布在各處的傳感器實(shí)時(shí)采集人體的姿勢(shì)、力量、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)等信息，然后傳到設(shè)備內(nèi)置的電腦或控制中心，“大腦”開始分析，接著判斷人體意圖驅(qū)動(dòng)外骨骼元件，一般通過電機(jī)和液壓等方式帶動(dòng)機(jī)械產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作。
以一位真實(shí)病患為例，去年 10 月，微博用戶 @幾木朵_ 拍了她借助外骨骼嘗試行走的視頻，引發(fā)熱議。她自述十二年前被醫(yī)生宣告終身癱瘓，那時(shí)只能依靠站立床輔助站立，直到去年開始試用下肢外骨骼，再次體驗(yàn)了久違的自主行走的感覺，“下來之后的我一直哭”。
微博用戶 @幾木朵_ 的微博
從視頻中可以看到，除了緊貼大腿的機(jī)械關(guān)節(jié)，還有扶手和底部滑輪，后者可以支撐起她的身體，傳感器會(huì)先判斷她的發(fā)力方向和姿勢(shì)，然后適應(yīng)她開始最初邁步的動(dòng)作。另外，這種用于康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼，還提供了“約束訓(xùn)練”和“抵抗訓(xùn)練”等模式，前者是讓患者跟著程序設(shè)定的步子走，逐漸加快幅度，后者是患者要逆著機(jī)器施加的阻力，進(jìn)而鍛煉到下肢，不斷刺激運(yùn)動(dòng)神經(jīng)。
據(jù)這位博主所說，這款外骨骼的價(jià)格是“十多萬”。世界其他市場(chǎng)中，醫(yī)療康復(fù)類外骨骼的價(jià)格也普遍較高，CYBERDYNE 的 HAL 5 價(jià)格約 2 萬美元，Ekso 的則超過 10 萬美元。
成本居高不下，和外骨骼系統(tǒng)還沒迎來革命性的設(shè)計(jì)突破有關(guān)。目前，外骨骼的結(jié)構(gòu)依然繁重復(fù)雜，動(dòng)力輸出持續(xù)能力和產(chǎn)品體積正相關(guān)。也就是說，就目前的技術(shù)，還沒辦法做到更合理的小型化和輕量化，這對(duì)于人體來說，仍是不小的負(fù)擔(dān)。
穿下肢外骨骼的小女孩｜網(wǎng)絡(luò)
“外骨骼最大的問題還是安全性，我認(rèn)為成本、能源、材料等都會(huì)隨著安全問題解決推向市場(chǎng)后，陸續(xù)得到解決或折中解決。而安全問題最關(guān)鍵的就是平衡問題和潛在的二次損傷。”一位五年博士課題都圍繞康復(fù)外骨骼的研究人員在知乎上寫道。
在運(yùn)動(dòng)賽事中發(fā)展
為了讓外骨骼更輕、更小、更舒適，更安全，科學(xué)家們積極探索改進(jìn)的路徑。比如，加州理工和清華大學(xué)的研究者就從算法入手，2020 年，他們提出了一種叫 “CoSpar”的算法，基于用戶反饋更新模型，并用它來選擇新試驗(yàn)的動(dòng)作，并誘導(dǎo)反饋，最終幫患者找到他們偏愛的步態(tài)，提升舒適度。
還有研究者在試驗(yàn)非侵入式腦機(jī)接口獲取用戶的運(yùn)動(dòng)意圖，等于說讓外骨骼和人體產(chǎn)生更直接的交互；DARPA 在 2011 年啟動(dòng)“The Warrior Web”項(xiàng)目，指出柔性外骨骼更為輕便、舒服，與功能性服裝結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠提升穿戴者的活動(dòng)能力、活動(dòng)質(zhì)量和耐力等，延長持續(xù)穿戴時(shí)間。
DARPA 的“勇士織衣”｜DARPA
除了科研，體育賽事也在推動(dòng)外骨骼的進(jìn)化。
你聽說過 Marathon（馬拉松），但不一定知道 Cybathlon（半機(jī)械人奧運(yùn)會(huì)）。2016 年，Cybathlon 由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院發(fā)起，2016 年和 2020 年成功舉辦過兩屆競(jìng)賽。在 Cybathlon 上，殘疾運(yùn)動(dòng)員可以使用機(jī)械義肢、腦機(jī)接口、外骨骼等外設(shè)參賽。2020 年，競(jìng)賽列出了六大項(xiàng)目，腦機(jī)接口比賽、功能性電刺激自行車賽、動(dòng)力臂假肢賽、動(dòng)力腿假肢賽、動(dòng)力外骨骼設(shè)備賽和動(dòng)力輪椅賽，所有任務(wù)都和殘障人士的日常生活緊密相關(guān)，著力展現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
Cybathlon｜CGTN
選手需要完成像上臺(tái)階、做飯、玩電子游戲等動(dòng)作，在最短時(shí)間內(nèi)完成最多任務(wù)者將獲勝。不同于殘奧會(huì)主要考驗(yàn)人體本身的運(yùn)動(dòng)能力（選手被要求只能用市面上在售設(shè)備），Cybathlon 則強(qiáng)調(diào)追求科技創(chuàng)新，選手可以用最新研發(fā)的動(dòng)力輔助裝置。
Cybathlon 的發(fā)起人 Robert Riener 教授回憶起辦賽的初衷：實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的輔助技術(shù)非常先進(jìn)，卻不能及時(shí)用在普通殘障人士身上，他們?cè)谌粘Ｖ行枰朔睦щy太多了。他希望可以通過 Cybathlon 促進(jìn)殘疾人輔助系統(tǒng)的發(fā)展和學(xué)術(shù)交流，也讓實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)互相競(jìng)爭(zhēng)和啟發(fā)，從而“催生”出成本更低、技術(shù)更先進(jìn)的義肢和外骨骼。
從這個(gè)角度上理解，奧運(yùn)會(huì)、殘奧會(huì)，和 Cybathlon，都是對(duì)人類極限的挑戰(zhàn)。當(dāng)看到選手用機(jī)械手裝上一只燈泡，或從輪椅上站起邁出不尋常的一步，你也會(huì)備受鼓舞。
