科技前沿丨“穿”在身上的外骨骼机器人

“穿”在身上的外骨骼机器人(jīqìrén) ■宋可旸 王睿婷(wángruìtíng) 朱少阳 第十一届世界互联网大会(dàhuì)上，参观者体验外骨骼机器人协助搬运(bānyùn)重物。新华社发 以色列一家公司研发的ReWalk系列(xìliè)外骨骼机器人。供图：阳明 近日，以色列一家公司宣布，其最新(zuìxīn)研发的外骨骼机器人——ReWalk7即将上市。据悉，凭借创新的技术设计，这款医用智能辅助设备(shèbèi)有望帮助(bāngzhù)瘫痪患者独立行走。 喜欢科幻电影(kēhuàndiànyǐng)的朋友，一定对《钢铁侠》《流浪地球》中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，成为人类突破生理极限的“第二层皮肤”。伴随着信息化、智能化(zhìnénghuà)技术的迅猛发展，外骨骼机器人接连(jiēlián)推出“加强版(jiāqiángbǎn)”“升级版”“未来版”，助力人类不断拓展自己(zìjǐ)的能力边界。 那么，什么(shénme)是外骨骼机器人？它有哪些应用场景？又面临哪些机遇与挑战？请(qǐng)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(kě)穿戴于(yú)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(chuángǎn)系统、智能处理中心及控制执行系统相结合，达到改善人体物理机能等目的，其本质是一类可实现人机结合的可穿戴式机器人。 人类对“外骨骼”的(de)探索，始于19世纪末的奇思妙想。 1890年，俄罗斯发明家尼古拉·亚格恩首次提出将(jiāng)无源机械(jīxiè)结构“穿”在人体上增强运动能力的构想。 后来随着蒸汽机与内燃机技术(jìshù)的发展，人们开始渴望用(yòng)外部能源为“外骨骼”装甲注入新动力。 1917年(nián)，美国发明家莱斯利·凯利设计了一部名为“Pedomotor”的步动辅助装置。该装置由蒸汽驱动，奠定了现代动力外骨骼的研发(yánfā)基础。不过，在实际使用时，穿戴者必须背负一台小型蒸汽机，这给使用者增加了较大身体负重。同时，“Pedomotor”僵硬的关节与粗糙的动力学设计，使其难以(nányǐ)随人体运动完成(wánchéng)复杂的结构变形(biànxíng)，最终(zuìzhōng)无奈搁浅。 外骨骼机器人的第一次重大突破发生在1967年(nián)。 这一年，美国通用电气公司研制的(de)“Hardiman”外骨骼机器人原型机横空出世。这款原型机采用半(bàn)仿生(fǎngshēng)构型(gòuxíng)设计，通过液压驱动使该机器人具备30个关节自由度，能辅助普通人轻松举起一百多公斤重的物体。然而，“Hardiman”680公斤的自重、迟缓(chíhuǎn)的动作节奏和惊人的能耗，严重(yánzhòng)限制了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(yīrán)为外骨骼机器人的未来探索指引(zhǐyǐn)了方向。 进入(jìnrù)21世纪后，随着材料科学、传感器技术和控制算法的(de)飞速发展，外骨骼机器人踏上了蜕变为人类“第二层皮肤”的崭新阶段。 在医疗康复领域，外骨骼机器人技术的创新进步为肢体(zhītǐ)功能障碍患者开辟(kāipì)了新的治疗(zhìliáo)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，有望为患者重新编织断裂的神经网络，让沉睡(chénshuì)的肢体逐渐恢复健康。 在工业领域，通过力学(lìxué)补偿和人体工程学设计，外骨骼机器人正在为生产制造一线的(de)工人卸下重负。以德国仿生(fǎngshēng)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(zītài)和受力情况，动态调整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，从而显著降低工人因长期(chángqī)重复劳动(chóngfùláodòng)或负重(fùzhòng)作业导致的职业损伤风险。 在军事装备的创新(xīn)浪潮中，外骨骼机器人的引入，为提升(tíshēng)单兵作战能力开辟了新的途径。 例如，美国伯克利仿生科技公司(gōngsī)研发的“人体负重外骨骼”，不仅结构轻巧，负重能力(nénglì)也超过100千克。穿戴这种“外骨骼”的士兵，不仅能够(nénggòu)轻松背负重型装备行军，还能同时完成在掩体后蹲姿射击等高难度战术动作。此外，该(gāi)系统能显著(xiǎnzhù)降低人体对氧气的消耗，大幅提升单兵的持续作战和战场机动能力。 “外骨骼”的构型(gòuxíng)图谱 作为人机协同技术(jìshù)的重要载体，外骨骼机器人的分类体系可依据多维度的技术特征与应用场景(chǎngjǐng)进行构建。 从特定部位来看，外骨骼机器人可分为上肢(shàngzhī)、下肢和全身三大类型。 上肢外骨骼(wàigǔgé)机器人类似于给手臂和肩部披上“机械肌肉”，助力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聚焦于对腰(yāo)腿部位的(de)支撑，其自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，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(gèngjìnyíbù)，通常采用模块化设计，将机械框架与人体的生物力学耦合，能支持特定(tèdìng)部位的功能强化，提升(tíshēng)使用者整体(zhěngtǐ)运动能力。 从结构设计来看(láikàn)，外骨骼机器人可分为刚性和柔性两类。 刚性外骨骼机器人由金属、塑料、碳纤维等硬质材料制成，通常具有刚性框架，可以为使用者(shǐyòngzhě)提供强大的力量支持。然而，它的“硬派”风格也带来了(le)穿戴上的局限——关节活动范围受限，长时间使用可能(kěnéng)让(ràng)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(de)“衣服”，通常采用轻质、耐用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(qízhōng)的典型代表。通过轻量化(qīngliànghuà)的线缆结构牵引，该机器人帮助人类悄然协调每一步的起落，为行走注入了更自然的步态辅助。 从应用领域来看，外骨骼机器人(jīqìrén)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(língmǐn)的传感器和高效的动力单元，“无缝衔接”使用者的动作(dòngzuò)意图，为关键部位提供精准的力量补充。这类外骨骼机器人常见于需要高强度体力的场景，其核心(héxīn)使命是成为人类体能的延伸，让繁重的工作变得(biàndé)轻松可控。 康复类外骨骼机器人则更像一位“复健教练”，主要适用于脑卒中、脑损伤和脊髓损伤等患有神经系统(shénjīngxìtǒng)疾病的(de)患者，帮助(bāngzhù)他们重拾肢体运动能力。 从能源驱动方式(fāngshì)来看，外骨骼机器人又可分为主动式和被动式两类。 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(lì)，能够显著减轻使用者在运动过程中的(de)力量负担。其动力来源多样，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，不仅能补偿(bǔcháng)因(yīn)体力不足或伤病造成的肌力缺失，还能增强(zēngqiáng)健康使用者的力量和耐力。 相比之下(xiāngbǐzhīxià)，被动式外骨骼机器人没有额外电源，运作过程完全依赖使用者的(de)运动行为。这类设备通过巧妙的机械设计，将人体动作中(zhōng)的能量转化为辅助力，实现“无中生有”的能量回收与利用，进而让行走变得(biàndé)更轻松。 从20世纪60年代美国首次提出“外骨骼机器人”的概念至今，全球(quánqiú)已有多个国家(guójiā)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(dàn)外骨骼机器人离批量投入市场使用还有一定距离。究其原因，外骨骼机器人技术发展仍面临诸多关键(guānjiàn)挑战： ——成本高昂，普及受限。作为(zuòwéi)智能穿戴技术(jìshù)的“天花板”，外骨骼机器人集成了多种微型传感器、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也伴随(bànsuí)着高昂的元器件成本。 此外，为了(wèile)追求轻量化、提高穿戴舒适性，外骨骼(wàigǔgé)机器人往往选用昂贵的钛合金、硬铝合金等高强度轻质材料，这些材料的运用也让(ràng)外骨骼机器人的身价水涨船高。 目前，一套(yītào)基础版下肢康复外骨骼机器人的售价高达4.5万至8万美元，远超普通(pǔtōng)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，价格更是令许多潜在使用者(shǐyòngzhě)望而却步。这种“高精尖”与“高成本(chéngběn)”的门槛，成为(chéngwéi)外骨骼机器人技术普及路上的一道“天堑”。 ——结构笨重(bènzhòng)，舒适欠佳。外骨骼机器人的骨架通常由金属连杆构成，采用刚性结构设计，这(zhè)导致其体积较大且有较大重量。通常，一套下肢外骨骼机器人的重量有10至(zhì)30公斤。 此外，使用者穿戴下肢外骨骼机器人时，需要使用多层绑缚带将金属框架与(yǔ)(yǔ)人体(réntǐ)腰、腿等部位多点锚定。这种刚性结构的(de)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运动产生干涉效应，迫使(pòshǐ)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(huáiguānjié)原本是(shì)具备6个自由度的精密球铰系统，而传统外骨骼机器人的旋转(xuánzhuǎn)关节往往被简化为单轴铰链结构(jiégòu)。这种降维设计的机械关节在三维空间中运动时，其预设的转动(zhuàndòng)轴线与人体关节瞬时旋转中心产生的偏差(piānchā)，会通过金属框架传导为持续的作用力差。这犹如将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，效能打折(dǎzhé)。外骨骼(wàigǔgé)机器人的续航能力一直是制约其广泛应用的关键瓶颈之一。受限于当前电池技术(jìshù)的能量密度以及自身的重量负担，大多数外骨骼机器人系统陷入了“充电两小时，工作(gōngzuò)一刻钟”的尴尬境地。 以美国伯克利大学研发的BLEEX外骨骼机器人为例，尽管设计先进(xiānjìn)，但在背负30余公斤物品(wùpǐn)行走的情况下，“BLEEX”能量储备仅能维持自身(zìshēn)120分钟的持续运作。而雷神(érléishén)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(le)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，在突破续航瓶颈的科技攻坚中，能量存储与分配系统的迭代升级，正(zhèng)逐步(zhúbù)成为外骨骼机器人技术持续进化的关键突破口。 尽管面临(miànlín)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(jīqìrén)技术描绘出了清晰的发展路径——更轻薄的骨架(gǔjià)将(jiāng)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，终将实现它的“承诺”：让科技进步延伸至人类的肢体(zhītǐ)，为社会发展带来更多便利。 （来源：中国(zhōngguó)军网-解放军报）