走進現實的外骨骼

耿濤

“動力外骨骼”（Powered Exoskeleton）最初是出現在科幻小說中的機械及電子設備，是一種能夠增強人體能力的可穿戴機器。它能夠幫助人們跑得更快、跳得更高、攜帶更多更重的東西。動力外骨骼通過傳感器來收集使用者的活動信息，這些信息傳遞給信息處理器進行處理，然后啟動相應的機械部件來輸出能量。在動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、地面傳感器、肌肉壓力傳感器等等。同樣，用于輸出的機械系統也有很多選擇，目前液壓系統和氣壓系統是比較常見的。

早在1960年，通用電氣就開始了機械外骨骼的研究，但是當時他們開發的設備只有一只手。麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）從1978年也開始了這項研究，但是目前看起來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，公司創始人斯蒂芬 · 雅克布森（Stephen Jocabsen）稱它為XOS。2000年XOS從14個類似的裝備中脫穎而出，被美國國防部高級研究計劃署——就是這個機構發明了互聯網——選中，并且打算把它應用在軍隊中。這項研究在高級研究計劃署的資金支持下開始迅速發展，后來Sarcos被美國一家國防部承包商雷神（Raytheon）公司收購，當時的計劃是能在2008年推出成品，并且在2009年進行戰場實驗。

在國外外骨骼已經有著很長的發展歷史。然而近幾年在我國也逐漸開始研發。2013年，由南京軍區總醫院博士后工作站研發的首部外骨骼裝置正式亮相，被定義為“單兵負重輔助系統”，面向軍用領域、專注于壓縮負重，并能夠快速同步穿戴者的動作。盡管它被認為是目前國內最完善的外骨骼裝置，但其功能相對單一，且負重能力以及設計結構仍有待提升。

另外由中科院常州先進所設計研發的EXOP-1外骨骼系統已于2014年正式進入調試階段。本體全部由航空鋁打造的它配備了22個傳感器、 6個驅動器和1個控制器，造價在30萬元左右。相比于在南京亮相的軍用外骨骼系統和國外先進的外骨骼裝備，EXOP-1雖然同樣能夠減輕穿戴者的負重，但它的體積相對笨重，難以在短期內投入使用。

由此看來“外骨骼”已經成為未來國內外都在關注的一個焦點，然而大眾知道它的緣由來自之前比較火的一款游戲《使命召喚11》，在這款經典的現代戰爭游戲中“外骨骼”（Exoskeleton，EXO）也作為游戲賣點等登場，他的背景設定在2054年的未來世界，高科技武器以及能夠大幅強化士兵的單兵作戰能力。當時也有不少關于外骨骼的討論，雖然在《使命召喚》中展示的是未來的一場高級的現代戰爭，但是給我帶來的不僅僅是對未來的憧憬，還有對現在外骨骼在軍事領域的各種啟發和聯想。軍用外骨骼將是人類研制的最復雜的機器之一，它還能促進機器人的開發，令機器人更像人類。外骨骼必須能夠感應人體活動并對其做出反應。它們還必須能夠將來自能量源的能量轉換為可用的促動能量，以輔助穿用者開展活動。擺在開發者面前的挑戰是巨大的，為了開發出這種外骨骼，新的設備和發明也將不斷涌現。一旦成功的設備被研發，必將改變現代戰爭的形式格局。

除了在軍事領域以外，在民用領域上，“外骨骼”發展也十分迅速，尤其在醫療領域主要在輔助性康復以及醫療義肢上具有巨大的發展前景。在民用領域的應用一直被認為是其以后發展的重要方向，但是“外骨骼”一直和人們的現實生活有著一段距離，起初外骨骼結構是一個相對小眾的機器人市場。但是后來隨著越來越多的公司加入進來，最初的醫療和軍事方面的應用已經拓展到日常應用場景，比如增加員工的生產效率，甚至是幫助老年員工延長工作時間。有的公司為了讓普通工人能夠輕松地負重移動，于是便做了一個輕便版的外骨骼支架。在背部、大腿、小腿到腳部的區域里用碳纖維材料支撐，配合著可以由傳感器喚醒的動力馬達，可以輕松地幫人負重工作，這就是外骨骼在民用領域的初步嘗試。

如今便有一款醫用外骨骼誕生，它就是來自Phoenix的SuitX。SuitX被認為是第一個走進現實的外骨骼設備，以前往往一旦談及到外骨骼的價格，聽起來都是高的嚇死人，至少幾十萬上百萬美金的價格往往是正常人難以消費的起的產品， Phoenix的SuitX只需要普通產品的一半還少的價格（4萬美金），這樣的價格讓不少稍高收入階層的人有了嘗試的機會，12.25Kg的重量也是同類型中最輕的一個，其設計的目的是幫助殘疾人正常走路。

和其他外骨骼不同的是Phoenix采用下半身機動支撐雙手控制拐杖來輔助站立，這樣的工作原理可以讓下半肢殘疾的人重新站立起來進行走路，聽起來十分讓人激動。設計團隊是來自加州大學伯克利分校人類工程團隊實驗室（C alifornia Berkeleys Human Engineering Lab）極簡的設計外加先進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。外骨骼設計采用模塊化設計，主要分為一個髖關節模塊，2個膝關節模塊和2個腳模塊，客戶可以單獨使用或連接在一起，形成一個完整的系統。這不僅削減了不必要的重量和體積同時也會讓電池的壽命延長，在完全組裝安裝，充電完成的狀態下可以不間斷連續4個小時的行走，它的最大行走速度為1.1英里每小時（0.5米/秒）。完全可以勝任一個正常人散步的速度。

SuitX可以在用戶不脫下來的情況下完成坐在輪椅上然后站起來繼續行走然后再坐下的整個過程，操作起來也十分方便。SuitX Phoenix 外骨骼是完全可定制，并且可調節重量、高度和腿的尺寸。它為佩戴者準備了兩根拐杖，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送到髖部執行器，佩戴者可以按前進的每一步，或使用連續的步行模式。

目前來看，外骨骼發展前景很好，但是各界褒貶不一，看法不同。外骨骼是利用機械等來增強人體素質的裝置，當然，目前基本只能在力量上有所提升。外骨骼是未來人類外太空開發的重要工具，在無重力、超重力環境下，大有用途。但現在技術不成熟，能源、操作系統、動力來源，都限制了實用化發展。軍事上主要增加單兵負荷能力與防護力，如果能解決能源等問題，單兵“上天入地”的對抗就成為了可能。在影視作品中人們看到的更多是預測與跟風，外骨骼發展使得影視的介入，而影視作品又使更多人了解了外骨骼，促進外骨骼的成熟。也許，我們能做的還是期待不久的將來，外骨骼成熟真正走進人們生活的那天吧。

誠然，目前機械外骨骼的應用主要還是在中高端市場，無法大規模普及應用。軍隊作戰幾千年來改變的東西無也只是在原有基礎上改良武器、材料、運輸方式和通信方式，而對于負重卻沒有很大的改變，而增加新的裝備意味著后勤保障工作又會大幅增加。軍隊作戰單兵負重一直需要不是很大。民用也是一樣，若給搬運工人一副機械外骨骼，不如一輛板車來的實在。高科技含量幾乎就意味著低可靠性，機械外骨骼的應用幾乎都在高強度的工作條件下，這也就意味著它在人類材料、傳動等方面還未達到一定高度。

作為新科技，外骨骼也許會最先應用在搶險救援方面。首先各種災禍現場的情況往往比較復雜，大型機械設備可能無法進入，而單靠人力又效率太低。外骨骼設備可以一定程度上彌補人力的不足，同時兼具靈活性。其次，救援后備一般都有保障，對外骨骼系統的可靠性要求就低一些，專注其性能就好。沒動力了可以及時加油、充電。壞掉了也可以馬上換一個。時間是最寶貴的，只要能把人救出來，花多少錢都不用心疼。如果在地震、泥石流、洪災、礦難等等事故的救援行動中可以用上外骨骼系統，相信救援效率會成倍增加，比民用或者軍事上的應用價值都要大很多。

外骨骼之前在人們心中一直被看做是黑科技，大多數人還是在游戲或者電影中才見識到了它的厲害，沒想到這么快就來到了現實世界開始造福人類了，感覺未來是多么的令人興奮。外骨骼今后的發展必將是人類的重要輔助工具，從一種角度來看，這些機器結構讓人類能夠適應更緊張的工作環境，而從另一個角度來說，也是人類扮演了機器的中樞控制系統的角色。雖然目前外骨骼的發展還有很多瓶頸沒有被克服，比如輕量化、續航、以及智能化等問題，但是人類的想象沒有終點。若干年后，我們或許會看到動力外骨骼將變成貼身衣物，具有高強度、輕量且耐磨等特性，能夠被廣泛應用于救火、搶險等與百姓息息相關的危急環境中。我們不是希望外骨骼在戰場上幫我們殺敵，只希望它能讓我們的生活變得更加輕松快樂。