來源：果殼
邁步機器人、傅利葉智能、大艾機器人等專注于外骨骼機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)域得以應用——
今天是北京冬殘奧會火炬?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械手當中；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械配件上。
據(jù)賽事相關(guān)負責人介紹，彭園園為了實現(xiàn)自主抓握，配合外骨骼設(shè)備做了九個月適配訓練；而下肢截癱的楊淑亭則花了五個月時間，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)復雜的機械機構(gòu)，和火炬手達成一種和諧的“共生”關(guān)系：這些機械裝置能及時響應他們想做但肉身做不到的動作，就像是人類機能的自然延伸一樣。
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 60 年代，人類就開始了技術(shù)探索。
穿在身上的機器人
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)肢動物的骨骼，則“暴露”在身體表面，這層分節(jié)嵌合的堅硬外殼就是外骨骼（exoskeleton）。這個生物學名詞，后來直接被拿來指代裝在人身上的機電一體化裝置。
簡單來說，外骨骼是一種可穿戴機器人，能支撐和保護使用者的身體，是人體機能的補充；另外也能通過傳感器“讀懂”他們的動作意圖，輔助甚至是放大使用者的動作，是對人體機能的增強。
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 60 年代，代表項目是由美國國防部支持、通用電氣和康奈爾大學執(zhí)行的“Hardiman”。他們打造出了一款外骨骼原型機，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｜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 個鏈接頭，用液壓和電力驅(qū)動，還配備了力覺反饋感應系統(tǒng)。這樣一套龐然大物，每秒只能走 0.76 米。響應速度也無法保證，通常是肩關(guān)節(jié)能動了，胳膊肘操作不了了，顧此失彼。這對于軍用場景來說，簡直就是災難，很多科研機構(gòu)意識到時下技術(shù)的極限，就開始轉(zhuǎn)向醫(yī)療康復場景，比如為截癱患者設(shè)計站立用外骨骼，研發(fā)電力驅(qū)動假肢等等。
外骨骼不是某一個技術(shù)的“單兵作戰(zhàn)”，是計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、人機協(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)都有了突破性的進展，從美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助的項目成果 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，外骨骼也開始走出實驗室，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、災場救助、工廠制造等場景。
一副外骨骼都有什么？
外骨骼像是一個依附在人身上的“生命”——它擁有一個非常完整的系統(tǒng)，能傳感、控制、驅(qū)動，還有充當“大腦”的計算機，有模擬人骨骼的機械結(jié)構(gòu)、模擬肌肉的致動器。
人們一般用電池、燃油和內(nèi)燃機來驅(qū)動外骨骼機器人。現(xiàn)代的外骨骼，通常由傳感、控制、驅(qū)動和機械系統(tǒng)精密集成。分布在各處的傳感器實時采集人體的姿勢、力量、運動趨勢等信息，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)動外骨骼元件，一般通過電機和液壓等方式帶動機械產(chǎn)生相應動作。
以一位真實病患為例，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，傳感器會先判斷她的發(fā)力方向和姿勢，然后適應她開始最初邁步的動作。另外，這種用于康復訓練的外骨骼，還提供了“約束訓練”和“抵抗訓練”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器施加的阻力，進而鍛煉到下肢，不斷刺激運動神經(jīng)。
據(jù)這位博主所說，這款外骨骼的價格是“十多萬”。世界其他市場中，醫(yī)療康復類外骨骼的價格也普遍較高，CYBERDYNE 的 HAL 5 價格約 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)計突破有關(guān)。目前，外骨骼的結(jié)構(gòu)依然繁重復雜，動力輸出持續(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，這對于人體來說，仍是不小的負擔。
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，我認為成本、能源、材料等都會隨著安全問題解決推向市場后，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外骨骼的研究人員在知乎上寫道。
在運動賽事中發(fā)展
為了讓外骨骼更輕、更小、更舒適，更安全，科學家們積極探索改進的路徑。比如，加州理工和清華大學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的動作，并誘導反饋，最終幫患者找到他們偏愛的步態(tài)，提升舒適度。
還有研究者在試驗非侵入式腦機接口獲取用戶的運動意圖，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“The Warrior Web”項目，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)計能夠提升穿戴者的活動能力、活動質(zhì)量和耐力等，延長持續(xù)穿戴時間。
DARPA 的“勇士織衣”｜DARPA
除了科研，體育賽事也在推動外骨骼的進化。
你聽說過 Marathon（馬拉松），但不一定知道 Cybathlon（半機械人奧運會）。2016 年，Cybathlon 由蘇黎世聯(lián)邦理工學院發(fā)起，2016 年和 2020 年成功舉辦過兩屆競賽。在 Cybathlon 上，殘疾運動員可以使用機械義肢、腦機接口、外骨骼等外設(shè)參賽。2020 年，競賽列出了六大項目，腦機接口比賽、功能性電刺激自行車賽、動力臂假肢賽、動力腿假肢賽、動力外骨骼設(shè)備賽和動力輪椅賽，所有任務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)域的研究進展。
Cybathlon｜CGTN
選手需要完成像上臺階、做飯、玩電子游戲等動作，在最短時間內(nèi)完成最多任務者將獲勝。不同于殘奧會主要考驗人體本身的運動能力（選手被要求只能用市面上在售設(shè)備），Cybathlon 則強調(diào)追求科技創(chuàng)新，選手可以用最新研發(fā)的動力輔助裝置。
Cybathlon 的發(fā)起人 Robert Riener 教授回憶起辦賽的初衷：實驗室開發(fā)的輔助技術(shù)非常先進，卻不能及時用在普通殘障人士身上，他們在日常中需要克服的困難太多了。他希望可以通過 Cybathlon 促進殘疾人輔助系統(tǒng)的發(fā)展和學術(shù)交流，也讓實驗室和企業(yè)互相競爭和啟發(fā)，從而“催生”出成本更低、技術(shù)更先進的義肢和外骨骼。
從這個角度上理解，奧運會、殘奧會，和 Cybathlon，都是對人類極限的挑戰(zhàn)。當看到選手用機械手裝上一只燈泡，或從輪椅上站起邁出不尋常的一步，你也會備受鼓舞。
