科技前沿丨“穿”在身上的外骨骼机器人

“穿”在身上(shēnshàng)的外骨骼机器人 ■宋可旸(yáng) 王睿婷 朱少阳 第十一届世界互联网大会(dàhuì)上，参观者(cānguānzhě)体验外骨骼机器人协助搬运重物。新华社发 以色列一家(yījiā)公司研发的ReWalk系列外骨骼机器人。供图：阳明 近日(jìnrì)，以色列一家公司宣布(xuānbù)，其最新研发的外骨骼机器人——ReWalk7即将上市(shàngshì)。据悉，凭借创新的技术设计，这款医用智能辅助设备有望帮助瘫痪患者独立行走。 喜欢科幻电影的(de)朋友，一定对《钢铁侠》《流浪地球》中(zhōng)的机甲战士印象深刻。如今，这种科幻构想已从银幕跃入现实，成为人类突破生理(shēnglǐ)极限的“第二层皮肤(pífū)”。伴随着信息化、智能化技术的迅猛发展，外骨骼机器人(jīqìrén)接连推出“加强版”“升级版”“未来版”，助力人类不断拓展自己的能力边界。 那么，什么是外骨骼机器人(jīqìrén)？它(tā)有哪些应用场景？又面临哪些机遇与挑战？请看本期解读。 “钢铁侠”的百年(bǎinián)历程 一般而言，外骨骼机器人是指一种可穿戴于人体(réntǐ)外部的智能机械装置。该装置通过将人体的感觉、思维和运动等与机器的传感系统、智能处理中心及(jí)控制(kòngzhì)执行系统相结合，达到改善人体物理机能等目的，其本质是一类(yīlèi)可实现人机结合的可穿戴式机器人。 人类对“外骨骼”的探索，始于19世纪末的奇思妙想(qísīmiàoxiǎng)。 1890年，俄罗斯发明家尼古拉·亚格恩首次提出将无源(wúyuán)机械结构“穿”在人体上增强(zēngqiáng)运动能力的构想。 后来随着蒸汽机与内燃机技术(jìshù)的发展，人们开始渴望用外部能源为“外骨骼”装甲注入(zhùrù)新动力。 1917年，美国发明家莱斯利·凯利设计了一部名为“Pedomotor”的(de)步动辅助装置。该装置由蒸汽驱动，奠定了现代动力外骨骼的研发基础。不过，在实际使用时(shí)，穿戴者必须背负(bēifù)一台小型蒸汽机，这给使用者增加了较大身体负重(fùzhòng)。同时，“Pedomotor”僵硬的关节与粗糙的动力学(dònglìxué)设计，使其难以随人体运动完成(wánchéng)复杂的结构变形，最终无奈搁浅。 外骨骼(wàigǔgé)机器人的第一次重大突破发生在1967年。 这一年，美国通用电气公司(gōngsī)研制的(de)“Hardiman”外骨骼机器人原型机横空出世。这款原型机采用半仿生构型设计，通过液压驱动(qūdòng)使该机器人具备30个关节自由度(zìyóudù)，能辅助普通人轻松举起一百多公斤重的物体(wùtǐ)。然而(ránér)，“Hardiman”680公斤的自重、迟缓的动作节奏和惊人的能耗，严重限制了(le)(le)该机器人项目的落地。最终，该公司不得不放弃这一项目，留下了一地“钢铁残骸”。尽管如此，“Hardiman”的诞生依然为外骨骼机器人的未来探索指引了方向。 进入21世纪后，随着材料科学、传感器技术和(hé)控制算法的飞速发展，外骨骼机器人踏上了蜕变为人类“第二层皮肤(pífū)”的崭新阶段。 在医疗康复领域，外骨骼机器人技术的(de)创新(chuàngxīn)进步为肢体(zhītǐ)功能障碍患者开辟了新的治疗路径。日本东京筑波大学的实验室里，银白色的HAL外骨骼机器人捕捉使用者的肌电信号，有望(yǒuwàng)为患者重新编织断裂的神经网络，让沉睡的肢体逐渐恢复健康。 在工业领域，通过力学补偿和人体(réntǐ)工程学设计，外骨骼(wàigǔgé)机器人(jīqìrén)正在(zhèngzài)为生产制造一线的(de)工人卸下重负。以德国仿生科技公司开发的CrayX外骨骼机器人为例，该机器人采用高强度碳纤维材料铸造骨架，兼具轻量化和耐用性的特点。另外，其搭载的智能传感器系统可实时监测工人的动作姿态和受力情况，动态调整(tiáozhěng)外骨骼机器人的支撑力度，有效减轻工人的肌肉疲劳和关节压力，从而(cóngér)显著降低工人因长期重复劳动或负重作业导致的职业损伤风险。 在军事装备的创新浪潮中，外骨骼(wàigǔgé)机器人的引入，为提升单兵作战能力(nénglì)开辟了新的途径。 例如，美国伯克利仿生科技(kējì)公司研发的“人体负重外骨骼”，不仅结构轻巧，负重能力也超过100千克(qiānkè)。穿戴这种“外骨骼”的士兵，不仅能够轻松背负重型装备行军，还能同时完成在(zài)掩体后(hòu)蹲姿射击等高难度战术动作。此外，该系统能显著降低人体对氧气的消耗，大幅提升单兵的持续作战和战场(zhànchǎng)机动能力。 “外骨骼”的构型(gòuxíng)图谱 作为人机(rénjī)协同技术的重要载体，外骨骼机器人的分类体系可依据多维度(duōwéidù)的技术特征与应用场景进行构建。 从特定部位来看，外骨骼机器人可分为上肢、下肢和全身(quánshēn)三大类型。 上肢外骨骼机器人类似于给手臂和肩部披上“机械肌肉”，助力(zhùlì)使用者轻松举起重型工具，完成精密装配作业。下肢外骨骼机器人则(zé)聚焦于对腰腿部位(bùwèi)的支撑，其自(qízì)适应支撑结构既能为负重登高的消防员构建动态平衡支点，也能通过仿生步态算法(suànfǎ)，赋予截瘫患者自然流畅的行走节奏。全身外骨骼机器人则更进一步，通常采用模块化设计(shèjì)，将机械框架与人体的生物力学耦合，能支持特定部位的功能强化(qiánghuà)，提升使用者整体运动能力。 从结构设计来看，外骨骼机器人可分为刚性(gāngxìng)和柔性两类。 刚性(gāngxìng)外骨骼机器人(jīqìrén)由金属、塑料、碳纤维等硬质材料制成，通常具有刚性框架(kuāngjià)，可以为使用者提供强大的力量支持(zhīchí)。然而，它的“硬派”风格也带来了穿戴上的局限——关节活动范围受限，长时间使用可能让使用者感到束缚，甚至影响自然步态。 柔性外骨骼机器人则如同一件能提供动力(dònglì)的“衣服”，通常采用轻质、耐用(nàiyòng)的功能性纺织品制成。哈佛实验室研发的织物外骨骼机器人是其中的典型代表。通过轻量化的线缆结构牵引，该机器人帮助人类(rénlèi)悄然协调每(měi)一步的起落，为行走注入了更自然的步态辅助。 从应用领域来看，外骨骼(wàigǔgé)机器人主要分为增强类(lèi)外骨骼机器人和康复类外骨骼机器人。 增强类外骨骼机器人通过灵敏的(de)传感器和高效的动力单元，“无缝衔接”使用者的动作意图，为关键部位提供(tígōng)精准的力量补充。这(zhè)类外骨骼机器人常见于需要高强度体力的场景，其核心使命是成为人类体能(tǐnéng)的延伸，让繁重的工作变得轻松可控。 康复类外骨骼机器人(jīqìrén)则更像一位“复健教练”，主要适用于(yú)脑卒中、脑损伤和脊髓损伤等患有神经系统疾病的患者，帮助他们重拾肢体运动能力(nénglì)。 从能源驱动方式来看，外骨骼机器人又可分为主动式(zhǔdòngshì)和被动式两类。 主动式外骨骼机器人由外部源直接驱动机械结构输出辅助力，能够显著减轻使用者在(zài)运动过程中的(de)力量(lìliàng)负担。其(qí)动力来源多样，包括电池驱动的电机、液压系统等，配合高精度的传感器和智能控制算法，不仅(bùjǐn)能补偿因体力不足或伤病造成的肌力缺失，还能增强健康使用者的力量和耐力。 相比之下，被动式外骨骼机器人没有额外电源(diànyuán)，运作过程完全依赖使用者的(de)(de)运动行为。这类设备通过巧妙的机械设计，将人体动作中的能量转化为辅助力，实现“无中生有”的能量回收与利用(lìyòng)，进而让行走变得更轻松。 从20世纪(shìjì)60年代美国首次提出“外骨骼机器人”的概念至今，全球已有(yǐyǒu)多个国家开展关于外骨骼机器人的研究。 尽管世界上已(yǐ)推出多型外骨骼机器人装备，但外骨骼机器人离批量投入市场使用(shǐyòng)还有一定距离。究其原因，外骨骼机器人技术发展仍(réng)面临诸多关键挑战： ——成本高昂，普及受限。作为智能穿戴技术的“天花板”，外骨骼(wàigǔgé)机器人集成了(le)多种微型传感器、驱动器、电脑及其外围电路和复杂的控制算法。这种高度集成与复杂性(fùzáxìng)也伴随着高昂的元器件成本。 此外(cǐwài)，为了追求轻量化、提高穿戴舒适性，外骨骼机器人往往选用昂贵(ángguì)的钛合金、硬(yìng)铝合金等高强度轻质材料，这些材料的运用也让外骨骼机器人的身价水涨船高。 目前，一套基础版下肢康复(kāngfù)外骨骼机器人的(de)售价(shòujià)高达4.5万至8万美元，远超普通患者的承受能力；应用于军事和工业领域的全身负重外骨骼机器人，价格更是令(lìng)许多潜在使用者望而却步。这种“高精尖”与(yǔ)“高成本”的门槛，成为外骨骼机器人技术普及路上的一道“天堑”。 ——结构笨重，舒适欠佳。外骨骼机器人的骨架通常由金属连杆构成，采用(cǎiyòng)刚性结构设计(jiégòushèjì)，这导致其体积(tǐjī)较大且有较大重量。通常，一套下肢外骨骼机器人的重量有10至30公斤。 此外，使用者穿戴(chuāndài)下肢外骨骼机器人(jīqìrén)时，需要使用多层绑缚带将金属框架与(yǔ)人体腰、腿等部位多点锚定。这种刚性结构的设计带来了显著的问题：当使用者迈步时，外骨骼机器人的传动杆件(gānjiàn)与生物肢体形成机械与人体的双轨(shuāngguǐ)运动系统——金属连杆的刚性位移轨迹与肌肉牵拉的柔韧(róurèn)运动产生干涉效应，迫使穿戴者如同踩着轨道行走，只能改变原有的行走习惯。 同时，人体髋膝踝关节原本是具备6个自由度的(de)(de)精密球铰系统，而传统外骨骼机器人的旋转关节往往被简化为单轴铰链(jiǎoliàn)结构。这种降维设计(shèjì)的机械关节在三维空间中运动时，其预设的转动轴线与人体关节瞬时旋转中心产生的偏差(chà)，会通过金属框架传导为持续的作用力差。这犹如将(jiāng)精密齿轮组与简单铰链强行啮合，最终将造成使用者身体肌肉的代偿性疲劳。 ——续航受限(shòuxiàn)，效能打折。外骨骼机器人(jīqìrén)的续航能力一直是制约其广泛应用的关键瓶颈(píngjǐng)之一。受限于当前电池技术的能量密度以及(yǐjí)自身的重量负担，大多数外骨骼机器人系统陷入了“充电两小时，工作一刻钟”的尴尬境地。 以美国伯克利大学研发的(de)BLEEX外骨骼(wàigǔgé)机器人为例，尽管设计先进，但(dàn)在背负30余公斤物品行走的情况下(xià)，“BLEEX”能量(néngliàng)储备仅能维持自身120分钟的持续运作。而雷神公司的XOS1机器人更是“电量焦虑”的典型代表——虽然功能强大，但自带的电池却只能持续供能40分钟。续航(xùháng)能力的不足，束缚了外骨骼机器人迈向军事、医疗和工业等领域的广阔应用天地。 因此，在(zài)突破续航瓶颈的科技攻坚中，能量存储与分配系统(xìtǒng)的迭代升级，正逐步成为外骨骼机器人技术持续进化的关键突破口。 尽管面临成本、舒适性与续航能力的(de)(de)三重挑战，新型材料、脑机接口和仿生算法的突破还是为外骨骼机器人技术(jìshù)描绘出了清晰的发展(fāzhǎn)路径——更轻薄的骨架将取代传统框架；固态电池与无线充电技术正在改写续航规则；AI深度学习算法赋予的“预判式(yùpànshì)辅助”将使机械运动如臂使指。到那时，这场始于19世纪末的机械狂想，终将实现它(tā)的“承诺”：让科技进步(kējìjìnbù)延伸至人类的肢体，为社会发展带来更多便利。 （来源：中国(zhōngguó)军网-解放军报）