從超級戰士到醫用機械外骨骼

思琪

起源：超級戰士的構想

機械外骨骼，顧名思義，就是穿戴在衣服之外的機械，外形類似骨骼，能夠起到骨骼的支撐和行動作用。其發明靈感，起源于美國著名漫畫《鋼鐵俠》，該漫畫的主人公是尋常人類，但是一旦穿上一套專門的鋼鐵鎧甲后，他就成為超級戰士，可以飛天遁地，而且力大無窮。這部漫畫目前已經被改編為同名電影，在全世界范圍內熱映。

從上世紀90年代開始，科學家們對這一概念進行了深入研究。他們認為，要想把這套“盔甲”變成現實，讓普通人成為力能舉鼎的大力士，需要幾個條件：首先是這些盔甲部件是附著在人的四肢和軀干上的，它不能過于笨重；其次是這些盔甲本身至少幾十公斤重，人穿戴上之后，必須讓盔甲有自己的動力系統來驅動，否則靠人本身的力量是無法行動的；再次，這套盔甲的動力系統越小越好，否則會背著累贅，但是同時能量越大越好，不能跑一跑跳一跳就沒電了；最后，這套盔甲必須同人類的大腦和運動神經聯系上，人想干什么，外骨骼和人體就能一起動作，越靈活才越有價值。

機械外骨骼的最大優勢就是有效規避了電腦智能化的風險。比肩人類的智能機器人，目前只出現在科幻電影里，畢竟人工智能領域的進展緩慢，能真正模擬人腦的電腦目前還沒有發明出來，沒有活蹦亂跳的電腦就沒有活蹦亂跳的機器人。而機械外骨骼提供了一個現實的解決辦法——既然還造不出人腦一樣的電腦，那就直接用人作為機器人的核心“部件”，用人腦去指揮機器，用人體去帶動機器，同時用這些高強度的機械來大幅增加人的體力、耐力和活動能力。一句話，外骨骼能把人類包裝成一個強大的機器人，它具有人的智力、靈活度和機器人的力量、速度。

更快、更強、更有力氣

機械外骨骼的研究目前應用于各個領域。

在軍事領域，機械外骨骼可以打造出超級戰士，目前一個裝備機械外骨骼的成年男子可以輕而易舉托起100公斤以上的物品，以前需要開叉車去搬運的東西，現在一個人過去托起來就可以走了。而給胳膊裝備外骨骼后，一拳可以擊穿7.62厘米厚的木板。

在民用領域，機械外骨骼主要考慮到的是肢體有殘疾或是需要康復的病人，同時研究者們也嘗試把這一技術應用于老人的助力。目前日本公司推出的HAL系列醫用外骨骼十分受歡迎。

肢體有殘疾的人穿戴上機械外骨骼后，可以直接指揮機械腿自然行走，而不需要拐杖等輔助工具。那些肢體需要康復的病人，在進行康復行走鍛煉時，也可以穿戴機械外骨骼，他們可以不發出行動指令，而由編好運動程序的外骨骼牽引著他們的肢體進行康復活動，省時省力還科學。對那些關節損傷的病人來說，利用機械外骨骼既可以鍛煉肌肉、恢復肌肉功能，同時還可以利用機械外骨骼對人體的強大支撐功能，減輕關節受到的人體自身的重量壓力，走起來更加舒服自如。

目前，以上提到的這些民用機械外骨骼技術正在從實驗室走向實際生活。2010年，新西蘭一家公司推出了“仿生機械腿”，專門幫助下肢癱瘓患者，這套外骨骼全重38公斤，但是患者穿戴后沒有負重感，并能在外骨骼的支持下自如站立、行走，上下樓梯。小澤征內田爬山穿的那套外骨骼是2011年推出的，性能更加先進，它采用生物電技術，與身體的關節部位連接，只要穿戴者的身體關節表現出某種動作趨勢，比如想跑、想跳，大腦釋放出的神經信號會通過神經元直接傳導給肌肉，再通過肌肉調動機械外骨骼系統迅速行動，也就是穿戴者想跑，機器就會帶著他的腿跑起來，穿戴者自己不用費力氣。

而作為機械外骨骼研究最先進的美國，目前他們的技術水平正在向更快速、更靈活的方向邁進，2012年美國機械外骨骼的科學家們已經可以讓一群小伙子穿著機械外骨骼，打一場對抗激烈、奔跑猛烈的籃球賽了。

三個瓶頸待突破

機械外骨骼前途無限，但是眼下它也面臨著幾個難以逾越的門檻。

首先是材質和造價問題，由于機械外骨骼要求輕便、堅固，目前使用多為鈦合金等昂貴材料制作，或者是加工維護費時費力的復合材料，這些材料的限制導致外骨骼還不能廣泛推向市場。

其次是生物技術和計算機技術的瓶頸。機械外骨骼的核心技術就是把機械和人腦有機連接起來，讓機械的四肢真正變成人腦可以隨意控制的四肢。但是目前生物技術和計算機技術都還不能夠完全實現人腦那樣的控制能力，它們還是太大太笨拙了，而且誤差也不小。舉例來說，讓穿著機械外骨骼的人類扛木頭抱鐵軌，一點問題都沒有。但是要讓他們繡花繪畫，現在還達不到人類的一般水準。

最后就是能源問題。目前機械外骨骼的驅動能源主要是各種類型的電池。這類電池儲藏電能還比較有限，最多只能支持器械外骨骼持續工作兩小時左右。這對于要用機械外骨骼生活工作的人來說太短了，總不能行動兩小時后之后馬上就要充電三小時吧？

盡管面臨著各種問題，但是科學家們仍然持樂觀估計，因為機械外骨骼在技術上實現起來確實比智能機器人要簡單一些。也許在不久的將來，隨著人類科技的不斷進步，機械外骨骼武裝起來的人類將會昂首闊步地奔跑在地球上。

（責編：石磐）