可穿戴黑科技:探秘机械外骨骼的前世今生

引言

看到标题,敢问小伙伴们首先想到的是什么呢?

是这个:

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钢铁侠战甲可算是外骨骼装甲的巅峰之作(图源网络,侵删)

或者这个:

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穿上电影《明日边缘》中的外骨骼,轻松碾压外星恶兽(图源网络,侵删)

还是说。。。。。。

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游戏《光晕》中的士官长动力外骨骼,COS得挺不错(图源网络,侵删)

在生活中,它们既可以是军工战场上的并不遥远的铁血梦想:

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美国著名的XOS2型动力外骨骼装甲(图片来自robotshop,侵删)

也可以融入你我生活的瞬间,化身外卖小哥的春天:

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傲鲨智能开发的送外卖外骨骼,可以说是相当接地气(图片来自腾讯网,侵删)

言归正传。

提到机械外骨骼,想必大家都不会陌生。从《星际争霸》到《明日边缘》,再到近些年大火的漫威宇宙,“机械外骨骼”作为科幻元素担当,在小说、游戏和影视中一直广受读者和观众追捧。而随着科技发展,这项曾经看似遥不可及的黑科技,正在逐渐融入我们的生活,在军工、民用、医疗等多个领域中开发出独一无二的价值。

2021,机械外骨骼时代离我们还有多远?

今天,就由穿戴未来小队带领大家共同了解这项跨越世纪的黑科技,探秘机械外骨骼的前世今生。

首先我们需要弄明白一个问题:

什么是机械外骨骼?

机械外骨骼(图片源自哔哩哔哩,侵删)

早期人们受到甲虫的启发,尝试发明由钢铁框架构成并且可由人穿上的机械装置,这就是机械外骨骼,通常又称为“动力外骨骼”(Powered exoskeleton)[1],其实质上是一种可穿戴机器人[2]。

现实中的外骨骼不同于我们军事战争或科幻影游中所见的“铁甲洪流”,而是穿戴在人体表面的“人工智能”:为穿戴者提供保护,并根据人的肢体活动来感应、伺服、驱动机械关节重现动作。在动力外骨骼的帮助下,人体体力、防护能力和对复杂环境适应能力都能得到大幅度提升[3]。

国产动力与无动力外骨骼(图片来自知乎,侵删)

机械外骨骼的工作原理

如今的外骨骼机器人,一般包括整机设计驱动器(机构)设计控制策略三部分;其中的“控制策略”也就是人机实时交互和控制,是其中的核心难点。[4]

XoR康复型外骨骼的机械设计图(图片来自知乎,侵删)

简要来说,人机交互工作分为三步:

第一步感知人体行为意图,一般采取陀螺仪+加速度计+肌肉电信号等方式结合来采集人体信息;

第二是一般通过激光 + 超声感知对外界环境做出判断,通过算法计算所有电机下一步的自动运行策略。

最后是在物理实现运动的同时不断跳转到上一步,实时判断行为达成的程度,综合考虑外界环境变化和用于操作意愿,实时调整系统运动策略。

MIT Exoskeleton增强型外骨骼的交互式步态调整(图片来自知乎,侵删)

既然涉及到人机交互,那么便一定涉及如何采集操作者的意图并将其成电机/液压的合适的输出力的问题。目前获得人类意图有两种方式:直接获取操作者意图和间接获取操作者意图。其中直接获取操作者意图的方法有从EMG数据、或人和机器人之间的交互力,间接获取的方法是从外骨骼关节获取数据、估计操作者意图然后放大运动效果。

操作者生物信号采集与运动意图分析(图片来自vjshi,侵删)

目前能够直接获取的人体生物信号主要有肌电信号EMG (Electromyogram)、眼电信号EOG (Electrooculography)、皮肤电信号 GSR(Galvanic skin response)、脑电信号EEG(Electroencephalogram)、脑磁信号MEG (Magnetoencephalogram)等等,而外骨骼控制最常用是EMG(肌电信号)和EEG(脑电信号)信号,马斯克近几年创办的Neuralink新公司致力于将人脑和计算机的连接,将计算机芯片植入人的大脑就是加强这种连接的一种途径。

但是当下能够直接获取操作者意图的传感器灵敏度欠佳,降噪、建模和校准较为困难;所以现在绝大多数的外骨骼皆采用间接获取意图的方法,通过内置力学传感器判断用户的行为意图并实现实时受控。

当下机械外骨骼存在哪些分类呢?

在实际落地中,外骨骼设备主要分布在两个方向,一是增幅型、一是辅助型,前者主要运用在军事及工业领域,后者则在医疗领域较为常见。而从驱动原理上又分为动力型和被动型外骨骼。动力型外骨骼使用外接能源来大幅度增强操作者的力量,多用于全身覆盖型的外骨骼设计;而被动型外骨骼大多为半身设计,不携带电源、不存在续航时间问题,能够为腰背腿部提供有力支撑,利用传动结构承载操作者的大部分负重并以此减轻疲劳。由于便携性高、造价低廉,被动型外骨骼近年已在战场援助和体力型工业领域得到推广。

各类外骨骼对应的应用场景(图片来自知乎,侵删)

机械外骨骼早期发展史

最早的机械外骨骼是一种下肢外骨骼,该想法由 Nicholas Yagn 在 1890 年提出,并申请了美国专利[5]。该装置可以通过置于腿后的弓形弹簧片和气囊式气压阀,增强人体步行、奔跑与跳跃的能力。

最早的无动力外骨骼设计(图片来自知网,侵删)

通过弓形结构存储和释放能量以提高移动速度,巧妙的构思使其避开了供能困难的问题,但也直接限制了该“外骨骼”对运动机能的提升幅度。同时装置的巨大笨拙亦使其终究只能成为停留在专利文书中的设想。

不过几年前倒是出现了一款“鸵鸟靴”(bionic boot),不得不说颇有结构上的异曲同工之妙。(跑题了咳咳)

bionic boot的原理与其非常相似(图片来自搜狐,侵删)

而后随着蒸汽、内燃动力体系的进一步发展,人们开始考虑将外接能源接入外骨骼系统以为其真正提供“动力”。1917年,美国发明家莱斯利·凯利提出了一部名为”Pedomotor”的步动辅助装置,由蒸汽驱动的它奠定了现代动力外骨骼的研发基础。但由于在实际使用时穿戴者必须背负一台小型蒸汽机,且Pedomotor的动力学结构设计较为粗糙,难以随人体运动完成复杂的结构变形,最终被无奈搁浅。

Pedomotor外骨骼(图片来自GameG,侵删)

而世界上第一套真正意义上“外骨骼装甲” Hardiman (Human Augmentation Research and Development Investigation),由美国通用电气公司和美国国防先进研究项目局(DARPA)在 1960年代联合研发。它包含了30多个关节,通过液压电力伺服系统驱动,能使穿戴者的力量增加25倍,提起110公斤重量的物体就像提起4.5公斤那么轻松。

哈迪曼动力外骨骼(图片来自gereports,侵删)

然而受困于当时尚未发展完善的传动系统,该外骨骼运行速度异常缓慢,只能达到0.76m/s;同时重达680kg的重量也大大限制了这一装备的实用性(在战场上就是个移动缓慢的硕大靶子)。更致命的是,在那个时代人们对于外骨骼两脚行走所必需的双足运动原理尚不清晰,所以 Hardiman 当时未能实现在无协助情况下独立行走[6]。考虑到上述限制,最终“哈迪曼”项目被改进成为一部机械手臂,但还是因操作繁琐复杂而未能得到广泛应用。

哈迪曼最终只保留了帅帅的手臂部分(图片来自cyberneticzoo,侵删)

20世纪末期,计算机的出现,为世界上的科学研究注入了新动力,同样也给机械外骨骼的研究带来了曙光。1971至72年贝尔格莱德大学的Vukobratovic等人研制的Powered Exoskeleton。贝尔格莱德大学的团队实行了轻量化的机构,同时提出了平衡算法,这在双足机器人研发中被广泛应用。此后更多的企业投入到外骨骼机器人的研发中来。如1978年Shulman 的Jogging Machine,1987年Monty Reed 的Lifesuit Exoskeleton,1990年G.John Dick和Eric A.Edwards的 SpringWalker, 1991年的PoweredArm等等。

Powered Exoskeleton机械腿部分及相关测试影像记录(图片来自新浪微博,侵删)

在此期间,好莱坞制作的科幻电影中也开始出现五花八门的单兵外骨骼,在让观众们越发关注这种能够让士兵战斗力翻倍的炫酷黑科技的同时,更使得西方国家在军工外骨骼方向的研发愈发浓厚。随着21世纪的到来,机械外骨骼即将迎来全新的突破。

1968年《异形2》电影中的重装外骨骼系统及其3D建模展示(图源网络,侵删)

21世纪的突破与发展

进入21世纪,机械外骨骼机的研发进展迅速。美国国防高级研究计划局(DARPA)在2000年启动了“增强人体体能外骨骼(EHPA)”计划,将外骨骼机器人的研究推向高潮。也正是在那一年,加州伯克利大学在DARPA的资助下研制出了”Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(伯克利下肢外骨骼系统,即BLEEX)”吸收了19世纪军用外骨骼研发屡遭瓶颈的教训,BLEEX将设计重心转移到腰间与腿部的支撑结构上,核心强化目标从肢体力量变成到穿戴者负重行动能力。BLEEX不仅能让美军轻松担起90公斤的负重,同时还能穿越复杂的地形。并且当BLEEX的动力不足时,佩戴者还可以将它从腿部拆卸下来,并折叠成一个规格化的背包,方便存储与运输。同时BLEEKX也是目前最“长寿”的动力外骨骼装置之一。

BLEEKS动力外骨骼系统(图片来自中关村在线,侵删)

实用性与便携性兼具的BLEEX,为彷徨中的机械外骨骼研发指出了一条明路。不久后,一家名为”Sarcos”的科研企业的产品在2006年经过了DARPA的方案审核,它就是近年来声名大噪的XOS。XOS具备前所未有的灵活性和灵敏度,同时还可以提供高达6:1的力增比:紧贴身体表面的传感器能够感应到穿戴者的动作幅度和力度,通过算法运算可以在使用者运动幅度内输出6倍的力度。该公司在2010年又研发出XOS-2动力外骨骼系统,相较上一代产品重量轻了10%,能耗降低了50%。力增增幅却达到了达到了惊人的17倍。其性能的全面增长使之深得美国军方认可,并被《时代》杂志列为2010年的50大发明之一。

XOS(图片来自popsci,侵删)
XOS-2(图片来自robotshop,侵删)

在XOS系列问世的同时,深耕于航空航天技术的洛克希德·马丁公司首次涉足动力外骨骼领域,并成功发布了HULC(Human Universal Load Carrier)系统。

目前应用最广的HULC动力外骨骼(图片来自lockheedmartin,侵删)

初代HULC在一次充满电后,可保证穿着者在无负重感的条件下以4.8公里/小时的速度背负90千克重物持续行进一个小时,而短时间亦可使穿戴者以接近16公里/时的冲刺速度疾行。而最新一代的HULC采用燃油发电机,在加满燃油后不仅拥有24小时的超长续航,还能够完美同步士兵的复杂动作,能够辅助普通的战斗任务

洛克西德·马丁公司表示HULC的灵活性非常强,穿戴它的士兵可以轻松地奔跑、行走、下跪、深蹲、匍匐,不会有任何的不便。而且驱动HULC的燃油发电机重量很轻,能够大幅度为士兵减负。在美军近几年的TALOS项目(轻型战术突袭操作服)尚未完全实现前,可以说HULC是目前性能最强的单兵动力外骨骼装置。

士兵穿着HULC外骨骼进行训练(图片来自知乎,侵删)

截止目前,较典型的外骨骼机器人包括美国的第二代XOS全身外骨骼、人体负重外骨骼(HULC)、“超柔”(SuperFlex)机械外骨骼、“Soft Exosuit”外骨骼、MAXFAS的手臂外骨骼系统、MIT外骨骼、BLEEX外骨骼系统、英国“矫正负重辅助装置”、法国“大力神”可穿戴外骨骼、意大利“V-盾”第一代人体脊柱外骨骼、澳大利亚新型被动式可穿戴外骨骼等。与此同时美国还在研究集生理监控、动力外骨骼,全装甲防护和网络数据连通等高科技于一体的“实战化”单兵装甲TALOS(Tactical Light Operator Suit),但在2019年由于电源供应等原因而中道崩殂,项目宣布暂停但保留相关技术成果。

网传的TALOS外骨骼图像,像极了强殖装甲(图源网络,侵删)

机械外骨骼的拓展应用

现如今,外骨骼机器人的发展已经进入爆发期,除了在军事上的应用,各国都在投入资金使其商业化,探索助力外骨骼在工业和医疗领域内的独特价值。

在工业方面,开发出HULC的的洛克希德马丁公司在不久前推出了一款工业外骨骼Fortis,相当于腰腹部的“第三只手”,可以轻松提起23kg重物,给劳作人员降低至少2/3的疲劳感,增进工作质量并降低肌肉伤害风险。也可以搭配腿部外骨骼使用,真正实现四两拨千斤的无重感操作

带有腰腹部支撑的FORTIS套件(图片来自知乎,侵删)

工业外骨骼的场景十分广泛,包括但不限于在汽车装配、物流行业、建筑施工等领域的应用。如今美国的Ekso Bionics、suitX等公司也已陆续推出了自家工业用外骨骼机器人,其中Ekso Bionics公司的上肢外骨骼机器人EksoVest被应用到福特汽车流水线的人工作业中并获得好评。

福特公司给员工配备外骨骼手臂(图片来自钛媒体APP,侵删)

而在医学领域,日本、新西兰和以色列等国家也在20多年的时间内进行了长足的探索。

日本”Cyberdyne”的公司对医疗动力外骨骼的研究始于1997年,其主打产品HAL外骨骼的定位是人体辅助义肢(Hybrid)系统。首部HAL骨骼增强原型机由日本筑波大学生产,结合了电控和供电系统,着重被应用于民用负重及医疗领域,帮助残障伤患者行动或复健。其可辅助的对象包括但不限于残疾人、老年人以及上肢、下肢无力患者、瘫痪病人等。

HAL(图片来自huffingtonpost,侵删)

通过近10年的研发,HAL辅助义肢已被开发至第5代,重量也缩减到10公斤以下,进一步满足常人的承受力。通过感测体表的一些生物信息,例如肌肉的运动还有神经电流的改变,HAL可以模拟穿戴者的动作。并且在平行的方向上增强穿戴者的力量和耐久。

Cyberdyne公司创始人山海嘉之(图片来自硅兔赛跑。侵删)

除此之外,由新西兰科技公司REX Biotics设计研发,可代替轮椅的REX;以及由以色列埃尔格医学技术公司发明的ReWalk,都是近年来在医疗领域举足轻重的民用外骨骼系统。

ReWalk康复训练外骨骼(图片来自官网)

尽管动力外骨骼在医疗领域潜力无限,但这并不代表着它真的“平易近人”。目前已上市的民用外骨骼系统平均售价在7万美元左右(约合人民币43.67万元),想要控制成本、实现产品的大众化推广,仍需要进一步的技术革新。

前进路上,难题与挑战颇多

当前的机械外骨骼,仍面临四大核心问题:续航能源、信号采集、舒适保障和成本控制。

一、续航能源方面:

第一大技术难题体现在续航方面。目前外骨骼机器人主要分为蓄电池供电和内燃机发电量两种功能模式,绝大多数的产品(除极个别如美军的HULC等)的续航能力上还远远达不到24小时的使用要求。受到续航能力影响,使用者的活动范围将被限制在固定电源补充点附近,这对战场运作和户外搜救而言是及其致命的缺陷。

虽说该缺陷并不会对其在民用领域(如独立送外卖)和工业领域(固定位置的机械臂)中的应用造成很大影响,但续航能力的不足亦会为操作流程增加一丝不稳定性。如何提高能源容量或改变现有充电方式来扩大使用者活动范围及效率,是外骨骼实现技术突破的重中之重。

《钢铁侠1》中的核心科技,续航能力MAX的方舟反应炉(图片来自qqyou,侵删)

二、信号采集方面:

如前文所述,外骨骼采集人体信号的方式主要分为直接采集与间接采集两种,而前者的操作延迟低、控制较为精准。然而截至目前,直接获取操作者意图的传感器还不够成熟,比如EMG的数据噪音、建模和校准的难度都很大。

举个例子,Cyberdyne开发的第五代辅助外骨骼HAL采用了EMG信号控制机器人,但控制其的生物信号变化规律因人而异;光是对某位客户进行肌电信号的标定与建模就需要2个月的时间。而且在动态环境中保持传感器的精确度是个很大的挑战。

当下,外骨骼在人机交互方面还有较大的提升空间,(图片来自官网)

而通过关节运动间接获取的操作者意图的技术也存在一疑难杂症;目前比较突出的就是无法做到准确识别操作者的力和环境外力,使得外骨骼机器人有一定概率误判操作者的行为意图,导致外骨骼机器人不稳定乃至失控,严重危及操作者的人身安全。

三、舒适保障方面:

外骨骼机器人作为一种贴身设备,被视为人类身体的外延,所以保障穿戴者的舒适度也是必要的条件。虽然穿戴式外骨骼设备的研究已经比较成熟,但对于民用舒适性还没有足够重视。目前大多数医疗康复外骨骼设备都是采用的捆绑穿戴,而这种穿戴方式会给人带来压迫感,导致血液不畅、肌肉变形,并因此影响外骨骼的定位精度,长时间穿戴还有可能对健康产生负面影响。

此类问题在假肢领域中也很常见(图片来自新浪,侵删)

此外值得一提的是,肌电信号采集对外界环境有着高度的敏感性。穿戴式外骨骼在热湿舒适性方面的欠缺可能使得操作者大量出汗干扰到传感器的数据采集,使得外骨骼在进行动作的反馈时产生延迟,难以胜任高难度动作。

四、成本控制方面:

不同于追求性能卓越的军工领域,对于普通用户而言,价格往往才是是外骨骼大规模普及性应用的最大绊脚石。受硬件生产成本和相关技术的制约,目前国内大部分外骨骼机器人公司还无法实现大规模量产,这导致产品价格高居不下。

大体上,一台普通国产医疗外骨骼机器人的售价大概在20-50万左右,虽然相比美国、日本的进口产品动辄百万要低许多,但依然不是普通民众可以接受的价格。2016年尖叫科技的CTO李牧然曾表示“我们希望三年内能达到一台大家电的价格。”而现在已经过去5年,产品价格却基本没有什么变动——高昂的研发投入,注定其短期内同样高昂的价格。

在价格不变的情况下,将设备纳入医保范畴,或许可以解决用户“用不起”的难题,但相关法案的推进亦需要相当长的时间周期。在产品价格无法下调的情况下,商业化进程会相当艰难。

结语

目前就外骨骼机器人的应用前景上来看,短期内最广阔三大市场主要是战地后援、重型工业和医疗场景。但和智能机器人一样,未来外骨骼机器人的主要市场一定还是消费级市场,例如针对户外行走、徒步、爬山、攀登等轻应用,生产适用于膝盖、大腿、鞋子、手臂等单个部件形式的产品,通过多元化、高自由度的设备组合方案满足不同人群的各类需求。

国内“铁甲钢拳”外骨骼公司着重打造适用于不同部位的产品(图片来自官网)

希望在不久后的将来,随着能源、材料等问题的攻克,外骨骼设备最大的制约因素将会消失,续航、可靠性、人机融合和造假等问题也会随之解决,在那以后外骨骼技术将会真正走出在游戏和影视,来到我们生活中,助力探索种种超越人体极限的领域。

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希望这样的技术早日成为现实(图片来自百度贴吧)

参考文献与资料:

[1]Powered exoskeleton. https://en.wikipedia.org/wiki/Powered_exoskeleton

[2]李晓明. 基于外骨骼技术的机器人远程控制[D].浙江大学,2004.

[3]李会营, 王惠源, 张鹏军, 等. 外骨骼机器人发展趋势研究[J]. 机械工程师, 2011, 8: 9-10.

[4]外骨骼机器人的技术现状与发展前景分析http://www.elecfans.com/jiqiren/1198389.html

[5]N. Yagn. Apparatus for facilitating walking, running, and jumping. U.S. Patents No. 420179, 1890.

[6]^Dollar A M, Herr H. Lower extremity exoskeletons and active orthoses: Challenges and state-of-the-art[J]. IEEE Transactions on robotics, 2008, 24(1): 144-158.

最后,为耐心读完本篇文章的小伙伴们献上本文的封面(/DOGE)

感谢您耐心读完了这篇文章,有不足之处请多多指正哦~

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图文 | 王元哲

审阅 | 吴佳怡

排版 | 王元哲

时间 | 2021.9.25

https://zhuanlan.zhihu.com/p/413703120

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