当我们谈到外骨骼,我们谈到了什么?

首先,先问是什么,借用百度百科的内容

外骨骼(Exoskeleton)

显然与我们所想到的有点不一致

事实上,在现代技术的背景下,我们通常所谈到的外骨骼,其实指的是一种人造科技装备,而“外骨骼”这个从生物学上引申过来的名词恰到好处地解释了它的特点——装在外面的骨骼。

先从生物学上谈起。

人类的骨骼是内骨骼,骨骼肌贴在骨骼附近,接收神经刺激进行收缩伸展运动,拉动着骨骼进行肢体运动。其他肌肉也有着类似的功能,不过拉动的不一定是骨骼,可能是皮肤,或是另一组肌肉。抽象出来,人类的肌肉就是一个作动器(Actuator)——接收控制信号,实现控制结果。而骨骼,是一种结构(Structure),它承担负载,组织成关节,为肌肉群及结蹄组织提供支撑环境。

同样的,昆虫也有骨骼和肌肉。昆虫的骨骼组成身体的外甲,骨骼肌被包在里面,也是接收神经刺激进行收缩伸展运动,通过另一种形式的杠杆拉动着骨骼进行肢体运动。

人体内骨骼和昆虫外骨骼运动机制的区别 图源——@苏澄宇

所以本质上,骨骼在内或在外并不影响整体的运动效果。

想象一种克苏鲁的高智慧后代,多肢体软体生物,拥有发达的肌肉群,但是它缺乏结构性组件。软体肢体的肌肉长时间支撑突然变重的重力环境,必不可能长久。如果它想上岸,自然想到要研发一种可穿戴的刚性装备,以支撑其体重,并维持其生命。这个装备对它来说,就是外骨骼,而这个克苏鲁,就是Ghost In the Shell。

不,你指的不是我

海洋的生物由多细胞生物进化而来,在不可压缩流体中生活,大多是软的。当要抵御外敌时,有的生物进化出了一个骨骼包覆类的分支,即虾兵蟹将之流。螃蟹们发现,分泌出碳酸钙包裹自身,可以抵挡很多攻击。外壳组成腿的结构,而腿的肌肉附着在外壳内部作为作动器,这样腿就能够支撑身体的重量,给他们提供了上岸生存的能力,以免在退潮的时候待在岩石底下的他们会迅速失去水分而死。

甲虫是昆虫种类中的一大门类,它们全身覆甲,呼吸靠专门的进气管路,内脏被保护在甲壳内。盔甲的保护让昆虫有了支撑其自身数倍重物的能力,我们能看到蚂蚁强大的搬运能力,外骨骼结构有一定的功劳。而昆虫外甲也进化出了可以捕猎的夹钳、可以伪装的斑点、甚至可以飞翔的翅膀。可以联想到的是,人类的外骨骼也许有朝一日会进化成假面骑士。

那么,说了这么多的动物界外骨骼,和我们所想的外骨骼,究竟有何联系?

把主语一换,我们人类就成了克苏鲁螃蟹甲壳虫,海洋换地穹,大地换长空。

我们通常把外骨骼通常叫做外骨骼机器人,因为它满足了机器人的所有要素——自动运行、可编程的、具有一定智能的机电一体化装置

昆虫是外骨骼机器人的一种仿生起源,但也有所不同。通常意义上外骨骼机器人更像是骨骼包肉再包骨骼(锅包肉)。当穿上外骨骼,我们的肌肉对外骨骼并起不到支撑耗能的作用,因为我们的肌肉只对我们自己的内骨骼起控制作用。要让外骨骼听我们的指挥,就得做和昆虫不一样的工作,这个工作就是建立人机交互的系统,这也是外骨骼机器人领域研究一个很重要的研究重点。

人类从很久以前就对增强自己的能力有着众多的幻想,哪个男孩不想成为大力士呢?

这里我们不谈外骨骼过于久远且与现状相差较大的历史,我觉得这一部分在任何领域都普遍存在。基于近现代人们对外骨骼机器人的幻想,大致如下科幻类作品的表现

DC招牌——原子侠!
《复读机的一天》
《使命召唤·妹子战争》
论如何逃出监狱并与电梯做相对运动
未来殖民之近战战士
宇宙最强者
开挂长

(混入了奇怪的东西)

科幻层面,人们所理解的外骨骼,种类繁杂,形态各异。光钢铁侠的Mark型号就多达上百种。钢铁侠为全能选手,全身覆甲抵御攻击,内置武器,全身信息感知,是具测绘、探测、感知、信息联络能力为一体的移动军火库。流浪地球的外骨骼则多了抢险救灾的特色,在危难场景协助穿戴者突出重围,而军用型外骨骼可搭载重型装备,形成个人机动火力点。阿凡达里的外骨骼有点像升级版的挖掘机,功能却是高达的功能。士官长所穿的作战服则更像是人类在远未来时代外星殖民的必备装备。而使命召唤-高级战争里的外骨骼则更加接近实际与军事需求。

总结所有外骨骼的共同特征,它是以增强人体能力为主的人机协同平台化装备

增强人体能力是基本的功能,下肢外骨骼增强人的负重能力,机动能力,上肢则增强人的操作能力,比如徒手扒开监狱门,或增强持枪稳定性。负重能力是关键功能,负重能力上来了,外骨骼就可作为火力平台,信息平台,甚至带有自主决策的智能平台(贾维斯)。装甲保护则是分支功能,增加穿戴者存活能力,也可实现生命维持系统,支持外太空行动(理论上,宇航服也可归纳为外骨骼大概念中来)。

虽然科幻中已经把外骨骼系统作为最不起眼的基础装备,但是在目前要实现外骨骼基本的功能就已经得花费不小精力。但是科幻作为现实的风向标与试验田,现实也会朝着科幻前进。

现实中,外骨骼技术的工作原理不难理解,检测感知人体运动意图,通过控制算法策略算出执行层面上需要的控制量,然后控制作动器做出相应的运动。

下面主要讲一讲现实中围绕外骨骼机器人的研究方向。


运动意图识别。钢铁侠靠无接触式的脑电和肌肉下的传感器来实现检测,而如何识别人的运动模式则没有明确细节。《极乐空间》里靠脑后插管。而《明日边缘》里竟然靠操作手柄和按钮。不同的科幻作品中,运动意图识别几乎是一个忽略的命题,然而在现实中,如何检测人的运动意图,和如何识别人的运动模式是两大难点。

现实中,检测方法有多种,力学传感器、惯量传感器、肌电信号、脑电信号等等,目前使用方案最多的是力学传感器与其他传感器综合。识别人的运动模式则主要是根据预设的不同运动状态,如走路、跑步、上下楼梯、爬坡、下坡、越障等等,然后根据特定的触发信号去判别是哪种状态,进而实施相应的控制策略。这个触发信号怎么得到,有机器学习、神经网络等用多传感器多信号训练得到,也有触发开关式的主动得到。

控制算法策略。同样的,科幻作品里几乎不提控制算法的内容。

而现实中,如何柔顺地跟随人体运动是一大难点。外骨骼控制策略根据不同的任务需求,可截然不同。比如康复训练的外骨骼,人体并不能实施正常的运动,因此需要外骨骼带着人进行运动训练,同时也要人体相应肌肉参与运动,从而达到训练目的。而负重方向的控制策略,则是人有完善的运动机能,需要减轻人的运动负荷,而又要要求外骨骼能很柔顺的跟随人体运动,所以此时应该是人带着外骨骼运动,外骨骼负责承重,人负责控制运动。目前的控制算法有灵敏度放大控制、基于位置闭环的力控制、阻抗控制、基于神经网络的参考轨迹估计法等。

作动器的研究。影视作品里,我们所看到的工业设计,几乎清一色的都是伸缩连杆式的作动器,即在大多数设计者眼中,液压才能带的动外骨骼强大的功率要求。这种在文艺创作中弥漫开来的潜意识,导致了不管是什么动力,外骨骼都得带上一两个伸缩连杆,才能作为外骨骼的一种标志特征。

流浪地球的外骨骼道具商——维塔工作室也不能免俗

事实上,应用于外骨骼的作动器已经有很多种类。作动器在其他领域算是一种成熟商品,却很少有专门针对外骨骼进行优化设计的作动器,导致目前外骨骼的动力性能有所不足。目前的作动器主要分为三类:液压、电机、气动。液压作动器即为液压缸,液压缸本身结构简单轻便,液压系统的功率质量比也很高,可是液压系统质量基数大,所以迫切需要往小型化轻便化发展。电机简便,清洁,但功率体积比低,而且受限于减速器,而且安装空间与工业环境不同,外骨骼所需要的电机应当是扁平的低速大功率电机,这一点与MIT的机械狗电机性能要求有所相似。气动系统和液压相似,不过好处是清洁,气源来源方便,相比较液压也更轻一些,缺点在于功率低,噪声大,且气体有可压缩性,影响控制精度。

外骨骼机械结构设计。各种幻想作品里的外骨骼结构已经很炫酷了,为什么不能直接拿来用?因为幻想不需要考虑强度。同时,影视作品里也低估了小型化带来的难度。那么薄的结构,那么扁的安装空间,虽然为外形带来了最优解,却给电子设备、力学性能带来了极大的挑战。实际的外骨骼机械结构设计,是一门平衡的艺术。

外骨骼对重量要求敏感,需要在轻量化下达到不错的强度,且与人穿戴要舒适,是一大难点。被动外骨骼尤其需要好的结构设计,才能最大发挥出效能。目前的外骨骼结构,主要根据动力的不同而划分。采用液压或气动动力,关节结构主要为仿生肌肉式。采用电机驱动,关节结构主要为单自由度或多自由度伪仿生。根据动力传动方式不同还分为直驱、锥齿传动、套索传动、滑轮传动、线绳传动等。

可穿戴传感器。可穿戴传感器难点在于小型化与可靠性。外骨骼工作环境在户外时,比较恶劣,与人体接触的传感器需要有稳定的性能,且方便穿脱。与人体不接触的传感器需要保证在各种振动与冲击环境下的稳定性。目前可检测人体意图的传感器有力传感器、肌电传感器EMG、脑电传感器、关节编码器、加速度计等

还有不得不提对外骨骼很重要的一大方向,即能源。钢铁侠的小型聚变反应堆目前是不可能的。以目前的动力来说,现今的外骨骼能源很大比例为电能就算是液压、气压系统,其液压泵和气泵也是靠电力驱动的。而汽车用的内燃机则因质量和活塞缸强度门槛很难小型化到外骨骼上,涡轮机则就更不现实了。

电源则主要为锂电池,燃料电池等。锂电池的性能较稳定,不过续航比较短。燃料电池是未来的比较可观的发展方向,不过目前应用的很少。《死亡搁浅》里提供的无线充电技术是解决能源问题的一个思路,就跟修建公路一样,定点修建无线充电站甚至是有线充电站,可以缓解外骨骼在城市地区的续航压力。总的来说,能源问题不属于外骨骼研究的核心领域,但它决定了外骨骼技术的发展阶梯。一旦能源问题有所突破,外骨骼技术就能爆发第二春。


目前在应用上,外骨骼研究发展在军事领域主要集中在增强负重能力上,在民用领域则为康复医疗,在工业领域则为减轻重复劳动强度。另外,在上肢外骨骼领域的应用主要为人机交互,这个方向与仿生灵巧手、遥操等领域结合密切,且目前涌现出了穿戴式操纵设备如外骨骼VR交互等方向。

但是如上所说,负重能力是关键,有了负重有了一切,没有负重没有未来。

Sam给出了一个赞

不论是行军跋涉,还是后勤物资搬运、物流配送、救灾抢险,外骨骼作为单人负重增强设备都能很好适应使用场景,因为在这些使用场景,人是需要参与其中的,而单独使用其他负载设备如自动车或者机器人,都因为缺乏足够的智能来进行危机环境下的决策。

或许随着其他智能机器人的发展,物资运送方面外骨骼可能被替代,但是增强人的能力这一核心任务是无法被取代的。区分外骨骼机器人与其他装备的本质不同是很关键的,外骨骼有没有装甲去抗炮弹并不重要(大声)。

医疗康复方面确实是民用方面一大发展方向,随着老龄化人口增多,以及广大伤残人士的需求,这一块市场是很大的。不管是下肢还是上肢,核心目标是修复人体运动功能,这个思路发展下去,就是人造义肢。听起来有那么点赛博朋克的味道。

在赛博世界里,不装个义肢都不好意思和人打招呼

然而目前医学发展远没有那么进步。医疗康复主要只是针对神经损伤后运动机能丧失的人群,如脑卒中患者、截瘫患者。比起只是想要义肢进行机械飞升的断肢残疾人,这些患者们需要恢复运动机能的愿望更加强烈。

所以,在医疗康复方面,外骨骼的核心目标在于实施康复训练、重现运动功能。这不是以增强为目标。但是康复训练可以由其他专用设备完成,如康复床;重现运动功能也有轮椅替代。因此而外骨骼在这方面不可替代的核心则是其“便携”“灵活”的特点。比起躺在固定的床上,可以不受时间和空间约束地进行康复运动带来的用户体验要好得多。但是事实上,目前市面上的外骨骼机器人的康复训练效果还没达到一种完美的境地,且设备价格昂贵,产出投入比太小,在商业上需要等下一波技术风口的到来。

而人造义肢主要针对人群是断肢残疾人或是想要机械飞升的狂热分子,它的发展路线和外骨骼有交叉但又不同得多,在此不再赘述。

在负重能力上面,又衍生出其他发展方向,如干脆只针对于走路,以降低人走路的能量消耗为目标发展的被动式外骨骼。这个方向不研究怎么多负重,而是研究如何减轻总的能量消耗,为助力为核心目标。这个方向围绕助力,则外骨骼不拘泥与人体绑定,甚至只连接人体末端,像与人握手传递支持力一样去工作。

典型的如本田的Walking assist device,中间有个坐垫供穿戴者休息,宛如自行走路机

也有发展适合日常穿戴的柔性外骨骼,像皮革衣物一样穿在身上,大多通过线绳进行牵引。既然是柔性的,那就没有刚性支撑将负载传递到地面上,外骨骼本身就成为了人的负重,其核心目标自然也为助力而不是负重。如何平衡外骨骼重量与助力效率,提升穿戴舒适性则是这一方向的研究目标。

助力为目标设计的外骨骼就像为负重与医疗中间过渡带服务的,既不针对极端环境下的人体平台化,也不针对运动机能丧失的患者,它针对的是普通人,或是对长途野外跋涉的人。助力确实也是增强人体运动机能的一个体现,所以一个装备是否是外骨骼,并不在于它是否有刚性的骨骼,而在于它是否增强或补充了人体的能力。


以下列出国外目前比较有名的外骨骼

美国伯克利大学的BLEEX
美国伯克利大学研发,洛克希德马丁公司收购 HULC
日本筑波大学HAL-5
以色列ReWalk
美国雷神XOS
美国哈佛大学柔性外骨骼Soft Exosuit

国内的外骨骼研究也是如火如荼。国内从21世纪初就开始了对外骨骼的研究。最早的研究机构为中国科学技术大学、海军航空工程学院、北京理工大学、北京航空航天大学等。后来逐渐演变成全国各个理工类大学都在做。陆军装备部从2015开始举办“超能勇士-单兵外骨骼系统挑战赛”直到现在,汇集了全国大多数外骨骼行业从事者参赛。医疗康复领域的外骨骼民用企业也很多,傅利叶智能、大艾机器人、尖叫科技、布法罗机器人等。工业上,国内也有几个公司在做物流方面的外骨骼,如铁甲钢拳,赤源动力等。

随着电机技术及传感器技术的发展,目前外骨骼的研发成本已经大幅度下降了,理论上,你有一个电机和驱动系统,和一堆传感器,再来点3D打印支架,自己在家就能搭起一个单关节简易外骨骼系统。但是做的好的外骨骼仍需要进行深入研究,这也导致了医疗康复领域的外骨骼的商业模式大都是租赁而不是买断。而军用领域,外骨骼的可靠性仍然是一大难题,续航也是制约外骨骼军用上的瓶颈。外骨骼技术从上世纪60年代就已经兴起,经历了数次爆发和低谷,每一次爆发都是技术换代式的革命,而上一次技术换代则是在2006年左右,随着HAL、BLEEX等相继横空出世,彼时国内外各大院校全力开展外骨骼的技术研究,经历了一次小爆发。

这种爆发也影响了接下来的十几年的科幻作品里的技术迭代,通过科幻文化作品为广大的懵懂群众展现了技术带来的可能性,也间接影响着一代年轻人,在其心中埋下研究动力的种子。

外骨骼技术发展到现在,进入了一个新的台阶,等待着新的技术爆炸。随着可穿戴设备的发展、材料科技的发展、传感器技术的发展、通信与电力技术的发展、或是动力系统的发展,外骨骼机器人会不会迎来第二春呢?还有哪些技术能推动这个领域的进步呢?这些都是这个时代外骨骼研究者需要思考的问题。

图片来自网络。

参考文献:较多


本人在微信同步开通了讲解外骨骼技术的公众号——“甲说”

对外骨骼技术及相关科幻文化有兴趣的朋友不妨也可以关注一下这个公众号

微信公众号与知乎同步更新,几乎


下期估计会针对具体的一款外骨骼讲解其中的技术吧

https://zhuanlan.zhihu.com/p/108367141

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注