走進(jìn)現(xiàn)實(shí)的外骨骼

耿濤

“動(dòng)力外骨骼”（Powered Exoskeleton）最初是出現(xiàn)在科幻小說(shuō)中的機(jī)械及電子設(shè)備，是一種能夠增強(qiáng)人體能力的可穿戴機(jī)器。它能夠幫助人們跑得更快、跳得更高、攜帶更多更重的東西。動(dòng)力外骨骼通過(guò)傳感器來(lái)收集使用者的活動(dòng)信息，這些信息傳遞給信息處理器進(jìn)行處理，然后啟動(dòng)相應(yīng)的機(jī)械部件來(lái)輸出能量。在動(dòng)力外骨骼中可以使用的傳感器種類很多，包括角辨向器、肌電傳感器、地面?zhèn)鞲衅?、肌肉壓力傳感器等等。同樣，用于輸出的機(jī)械系統(tǒng)也有很多選擇，目前液壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)是比較常見(jiàn)的。

早在1960年，通用電氣就開始了機(jī)械外骨骼的研究，但是當(dāng)時(shí)他們開發(fā)的設(shè)備只有一只手。麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）從1978年也開始了這項(xiàng)研究，但是目前看起來(lái)比較有希望的是一家坐落在鹽湖城的公司。這家叫做Sarcos的公司在1983年就開始了這方面的探索，公司創(chuàng)始人斯蒂芬 · 雅克布森（Stephen Jocabsen）稱它為XOS。2000年XOS從14個(gè)類似的裝備中脫穎而出，被美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署——就是這個(gè)機(jī)構(gòu)發(fā)明了互聯(lián)網(wǎng)——選中，并且打算把它應(yīng)用在軍隊(duì)中。這項(xiàng)研究在高級(jí)研究計(jì)劃署的資金支持下開始迅速發(fā)展，后來(lái)Sarcos被美國(guó)一家國(guó)防部承包商雷神（Raytheon）公司收購(gòu)，當(dāng)時(shí)的計(jì)劃是能在2008年推出成品，并且在2009年進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

在國(guó)外外骨骼已經(jīng)有著很長(zhǎng)的發(fā)展歷史。然而近幾年在我國(guó)也逐漸開始研發(fā)。2013年，由南京軍區(qū)總醫(yī)院博士后工作站研發(fā)的首部外骨骼裝置正式亮相，被定義為“單兵負(fù)重輔助系統(tǒng)”，面向軍用領(lǐng)域、專注于壓縮負(fù)重，并能夠快速同步穿戴者的動(dòng)作。盡管它被認(rèn)為是目前國(guó)內(nèi)最完善的外骨骼裝置，但其功能相對(duì)單一，且負(fù)重能力以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)仍有待提升。

另外由中科院常州先進(jìn)所設(shè)計(jì)研發(fā)的EXOP-1外骨骼系統(tǒng)已于2014年正式進(jìn)入調(diào)試階段。本體全部由航空鋁打造的它配備了22個(gè)傳感器、 6個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)控制器，造價(jià)在30萬(wàn)元左右。相比于在南京亮相的軍用外骨骼系統(tǒng)和國(guó)外先進(jìn)的外骨骼裝備，EXOP-1雖然同樣能夠減輕穿戴者的負(fù)重，但它的體積相對(duì)笨重，難以在短期內(nèi)投入使用。

由此看來(lái)“外骨骼”已經(jīng)成為未來(lái)國(guó)內(nèi)外都在關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)，然而大眾知道它的緣由來(lái)自之前比較火的一款游戲《使命召喚11》，在這款經(jīng)典的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)游戲中“外骨骼”（Exoskeleton，EXO）也作為游戲賣點(diǎn)等登場(chǎng)，他的背景設(shè)定在2054年的未來(lái)世界，高科技武器以及能夠大幅強(qiáng)化士兵的單兵作戰(zhàn)能力。當(dāng)時(shí)也有不少關(guān)于外骨骼的討論，雖然在《使命召喚》中展示的是未來(lái)的一場(chǎng)高級(jí)的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)，但是給我?guī)?lái)的不僅僅是對(duì)未來(lái)的憧憬，還有對(duì)現(xiàn)在外骨骼在軍事領(lǐng)域的各種啟發(fā)和聯(lián)想。軍用外骨骼將是人類研制的最復(fù)雜的機(jī)器之一，它還能促進(jìn)機(jī)器人的開發(fā)，令機(jī)器人更像人類。外骨骼必須能夠感應(yīng)人體活動(dòng)并對(duì)其做出反應(yīng)。它們還必須能夠?qū)?lái)自能量源的能量轉(zhuǎn)換為可用的促動(dòng)能量，以輔助穿用者開展活動(dòng)。擺在開發(fā)者面前的挑戰(zhàn)是巨大的，為了開發(fā)出這種外骨骼，新的設(shè)備和發(fā)明也將不斷涌現(xiàn)。一旦成功的設(shè)備被研發(fā)，必將改變現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的形式格局。

除了在軍事領(lǐng)域以外，在民用領(lǐng)域上，“外骨骼”發(fā)展也十分迅速，尤其在醫(yī)療領(lǐng)域主要在輔助性康復(fù)以及醫(yī)療義肢上具有巨大的發(fā)展前景。在民用領(lǐng)域的應(yīng)用一直被認(rèn)為是其以后發(fā)展的重要方向，但是“外骨骼”一直和人們的現(xiàn)實(shí)生活有著一段距離，起初外骨骼結(jié)構(gòu)是一個(gè)相對(duì)小眾的機(jī)器人市場(chǎng)。但是后來(lái)隨著越來(lái)越多的公司加入進(jìn)來(lái)，最初的醫(yī)療和軍事方面的應(yīng)用已經(jīng)拓展到日常應(yīng)用場(chǎng)景，比如增加員工的生產(chǎn)效率，甚至是幫助老年員工延長(zhǎng)工作時(shí)間。有的公司為了讓普通工人能夠輕松地負(fù)重移動(dòng)，于是便做了一個(gè)輕便版的外骨骼支架。在背部、大腿、小腿到腳部的區(qū)域里用碳纖維材料支撐，配合著可以由傳感器喚醒的動(dòng)力馬達(dá)，可以輕松地幫人負(fù)重工作，這就是外骨骼在民用領(lǐng)域的初步嘗試。

如今便有一款醫(yī)用外骨骼誕生，它就是來(lái)自Phoenix的SuitX。SuitX被認(rèn)為是第一個(gè)走進(jìn)現(xiàn)實(shí)的外骨骼設(shè)備，以前往往一旦談及到外骨骼的價(jià)格，聽起來(lái)都是高的嚇?biāo)廊耍辽賻资f(wàn)上百萬(wàn)美金的價(jià)格往往是正常人難以消費(fèi)的起的產(chǎn)品， Phoenix的SuitX只需要普通產(chǎn)品的一半還少的價(jià)格（4萬(wàn)美金），這樣的價(jià)格讓不少稍高收入階層的人有了嘗試的機(jī)會(huì)，12.25Kg的重量也是同類型中最輕的一個(gè)，其設(shè)計(jì)的目的是幫助殘疾人正常走路。

和其他外骨骼不同的是Phoenix采用下半身機(jī)動(dòng)支撐雙手控制拐杖來(lái)輔助站立，這樣的工作原理可以讓下半肢殘疾的人重新站立起來(lái)進(jìn)行走路，聽起來(lái)十分讓人激動(dòng)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)是來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校人類工程團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室（C alifornia Berkeleys Human Engineering Lab）極簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)外加先進(jìn)的嵌入式智能微小組件，是Phoenix能夠控制其重量和成本的重要原因。外骨骼設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為一個(gè)髖關(guān)節(jié)模塊，2個(gè)膝關(guān)節(jié)模塊和2個(gè)腳模塊，客戶可以單獨(dú)使用或連接在一起，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。這不僅削減了不必要的重量和體積同時(shí)也會(huì)讓電池的壽命延長(zhǎng)，在完全組裝安裝，充電完成的狀態(tài)下可以不間斷連續(xù)4個(gè)小時(shí)的行走，它的最大行走速度為1.1英里每小時(shí)（0.5米/秒）。完全可以勝任一個(gè)正常人散步的速度。

SuitX可以在用戶不脫下來(lái)的情況下完成坐在輪椅上然后站起來(lái)繼續(xù)行走然后再坐下的整個(gè)過(guò)程，操作起來(lái)也十分方便。SuitX Phoenix 外骨骼是完全可定制，并且可調(diào)節(jié)重量、高度和腿的尺寸。它為佩戴者準(zhǔn)備了兩根拐杖，其中包括“走或不走”和“坐“或站立的按鈕，按下這些按鈕將消息發(fā)送到髖部執(zhí)行器，佩戴者可以按前進(jìn)的每一步，或使用連續(xù)的步行模式。

目前來(lái)看，外骨骼發(fā)展前景很好，但是各界褒貶不一，看法不同。外骨骼是利用機(jī)械等來(lái)增強(qiáng)人體素質(zhì)的裝置，當(dāng)然，目前基本只能在力量上有所提升。外骨骼是未來(lái)人類外太空開發(fā)的重要工具，在無(wú)重力、超重力環(huán)境下，大有用途。但現(xiàn)在技術(shù)不成熟，能源、操作系統(tǒng)、動(dòng)力來(lái)源，都限制了實(shí)用化發(fā)展。軍事上主要增加單兵負(fù)荷能力與防護(hù)力，如果能解決能源等問(wèn)題，單兵“上天入地”的對(duì)抗就成為了可能。在影視作品中人們看到的更多是預(yù)測(cè)與跟風(fēng)，外骨骼發(fā)展使得影視的介入，而影視作品又使更多人了解了外骨骼，促進(jìn)外骨骼的成熟。也許，我們能做的還是期待不久的將來(lái)，外骨骼成熟真正走進(jìn)人們生活的那天吧。

誠(chéng)然，目前機(jī)械外骨骼的應(yīng)用主要還是在中高端市場(chǎng)，無(wú)法大規(guī)模普及應(yīng)用。軍隊(duì)作戰(zhàn)幾千年來(lái)改變的東西無(wú)也只是在原有基礎(chǔ)上改良武器、材料、運(yùn)輸方式和通信方式，而對(duì)于負(fù)重卻沒(méi)有很大的改變，而增加新的裝備意味著后勤保障工作又會(huì)大幅增加。軍隊(duì)作戰(zhàn)單兵負(fù)重一直需要不是很大。民用也是一樣，若給搬運(yùn)工人一副機(jī)械外骨骼，不如一輛板車來(lái)的實(shí)在。高科技含量幾乎就意味著低可靠性，機(jī)械外骨骼的應(yīng)用幾乎都在高強(qiáng)度的工作條件下，這也就意味著它在人類材料、傳動(dòng)等方面還未達(dá)到一定高度。

作為新科技，外骨骼也許會(huì)最先應(yīng)用在搶險(xiǎn)救援方面。首先各種災(zāi)禍現(xiàn)場(chǎng)的情況往往比較復(fù)雜，大型機(jī)械設(shè)備可能無(wú)法進(jìn)入，而單靠人力又效率太低。外骨骼設(shè)備可以一定程度上彌補(bǔ)人力的不足，同時(shí)兼具靈活性。其次，救援后備一般都有保障，對(duì)外骨骼系統(tǒng)的可靠性要求就低一些，專注其性能就好。沒(méi)動(dòng)力了可以及時(shí)加油、充電。壞掉了也可以馬上換一個(gè)。時(shí)間是最寶貴的，只要能把人救出來(lái)，花多少錢都不用心疼。如果在地震、泥石流、洪災(zāi)、礦難等等事故的救援行動(dòng)中可以用上外骨骼系統(tǒng)，相信救援效率會(huì)成倍增加，比民用或者軍事上的應(yīng)用價(jià)值都要大很多。

外骨骼之前在人們心中一直被看做是黑科技，大多數(shù)人還是在游戲或者電影中才見(jiàn)識(shí)到了它的厲害，沒(méi)想到這么快就來(lái)到了現(xiàn)實(shí)世界開始造福人類了，感覺(jué)未來(lái)是多么的令人興奮。外骨骼今后的發(fā)展必將是人類的重要輔助工具，從一種角度來(lái)看，這些機(jī)器結(jié)構(gòu)讓人類能夠適應(yīng)更緊張的工作環(huán)境，而從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，也是人類扮演了機(jī)器的中樞控制系統(tǒng)的角色。雖然目前外骨骼的發(fā)展還有很多瓶頸沒(méi)有被克服，比如輕量化、續(xù)航、以及智能化等問(wèn)題，但是人類的想象沒(méi)有終點(diǎn)。若干年后，我們或許會(huì)看到動(dòng)力外骨骼將變成貼身衣物，具有高強(qiáng)度、輕量且耐磨等特性，能夠被廣泛應(yīng)用于救火、搶險(xiǎn)等與百姓息息相關(guān)的危急環(huán)境中。我們不是希望外骨骼在戰(zhàn)場(chǎng)上幫我們殺敵，只希望它能讓我們的生活變得更加輕松快樂(lè)。