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不久前科技前哨和大家介绍过机器人驾驶员,通过人控制机器人完成各种困难任务的组合,今天我们为大家带来了另一种人和机器协作的模式——人工外骨骼。
人工外骨骼简单说就是装在人身上的机器人设备,是科幻小说中的常客,钢铁侠身上的机器铠甲其实也属于人工外骨骼的一种,能让普通人拥有更大的力气,承受更大的重量。
如今这项技术已经成熟,在工业流水线、医疗康复领域都有采用,具备了大规模应用的潜力,今天前哨就和大家一起了解清楚人工外骨骼技术格局,面对的主要问题,未来会如何发展。

1.人工外骨骼的历史

最早的人工外骨骼是俄罗斯人尼古拉斯·亚格(Nicholas Yagn)在1890年发明的。这套机械装置利用弹簧和机械结构,能够在使用者移动时重新分配重量,减轻人在行走、跑跳时的能量消耗,不过它本身重量过大,弹簧只能被动提供助力,最终没有得到实际应用。
1917年,美国人莱斯利·凯利(Lesley C. Kelley)发明了新的设备,希望采用小型蒸汽机驱动线束主动提供助力,结果同样失败了。显然这时的技术储备并不到位。
直到20世纪60年代,人工外骨骼随着电机技术发展迎来了一次大的飞跃。1965年,在通用电气和美国陆军海军的资助下“哈迪曼一号”人工外骨骼设备推出,这套设备采用液压系统提供动力。
康奈尔航空实验室的尼尔·米森(Neil J. Mizen)则发明了另一种全身动力外骨骼,这套外骨骼用上了机器人的标配伺服电机,能响应人体活动提供力量支持。
在随后的几十年里,科学和技术的进步使该领域取得了更大的进步,不过受限于电机大小、供电需求,很长一段时间外骨骼的应用主要在康复领域。
1970年代末,手臂外骨骼被开发出来,被归类为矫正器,重点是提供手臂支撑。1980年,新的腿部装置“机械腿部推进辅助装置”获得专利,用于帮助腿部伤病人士恢复行走。1990年代,真正类似科幻作品的全身外骨骼产品被开发出来,采用液压系统提供动力,微处理器控制执行器,已经有了今天人工外骨骼的雏形。
2.人工外骨骼的现在
到了21世纪,得益于人工智能、计算机仿真、电池等技术的发展,人工外骨骼也大为受益。
以伯克利研发的下肢外骨骼(BLEEX)为例,这套设备采用液压执行器和微控方案,使用CAD软件模拟创建,减少了很多原型开发时间,最终产品能够额外提供75公斤的支撑力,在快走、慢跑场景下已经可以大幅降低使用者的氧气消耗。
根据Scopus的数据,2010年至2015年期间,共发表了3147篇关于人工外骨骼的期刊论文;2016年至2020年期间增加到了5244篇。大量研究都涉及人工智能、仿真模拟等技术。
如今的人工外骨骼更是直接应用到了生产之中。德国仿生公司推出的Cray X全连接外骨骼系统,在传统人工外骨骼的基础上集成了AI软件,主动提供助力的同时,还拥有智能安全陪伴功能,可以监测佩戴者的不良身体姿态,提前预警疲劳。

这套外骨骼还拥有OTA更新能力,开发商会根据客户的需求定制更新来不断改进产品。

2019年来,宜家一直在欧洲仓库中使用Cray X外骨骼,保护其工人免受伤害;宝马德国分公司的工人在更换轮胎时利用Cray X来保护背部肌肉,避免后背长期借力导致拉伤。德国仿生目前正在与包裹递送公司DPD进行测试,看看这套设备能否用在20公斤以上的包裹搬用中。

德国仿生公司统计,Cray X可以为企业减少25%的病假,为每位工人每小时提供1吨以上的动力辅助。

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3.机会和挑战
根据世界卫生组织统计,2050年随着人口老龄化、劳动损伤等因素,将有20亿人需要活动辅助设备,不少人认为届时人工外骨骼会有大的市场展开,不过要做到这点,人工外骨骼技术还需要迈过几个难关。
首先,需要更好的人工智能算法和结构设计,为用户提供更个性化的辅助。
在康复、工业等场景中,人工外骨骼需要提供的辅助场景比较固定,稍作开发就能呈现很好的效果。
生活场景中,人的活动模式多种多样,每个人的手臂、腿部长短也都有不同,如今的人工外骨骼的底层驱动大多还是模版化的,没有用上人工智能算法,缺乏灵活性。
在实验室、工厂的有限环境中辅助功能还毕竟稳定,在户外测试或测试条件略有变化时经常出现故障。
其次,硬件技术的制约还需要改进。
如果说人工智能还是个开发问题,那么硬件的制约则是真正的短板。
这当中电池续航的问题最为关键,在康复场景中,不少人工外骨骼使用的是电源供电不需要考虑电池问题;工业场景中,通常都有提供快速换电装置,但常规使用中这些条件都不具备,如何让辅助设备足够长的提供服务值得研究。
昨天我们提到的电动车能量回收方案或许能给一些启发,收集用户常规活动的能力,在关键时刻提供辅助可能更有价值。
最后,如何跨越需求裂谷,让大多数用户接受,这也是必须面对的问题。
根据国外机构统计,大多数普通人对辅助机械设备都还比较排斥,高达75%的用户拒绝使用上肢辅助设备,因为他们觉得不舒服、功能不足,如何迈过这道难关,不能简单依靠技术,必须找到真正的需求痛点才有望将新技术引入到我们的生活之中。
你觉得特斯拉的人形机器人和穿在身上的人工外骨骼,那种新技术会更快进入到我们身边呢?
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王煜全

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海银资本创始合伙人 全球科技创新产业专家
Frost & Sullivan首席顾问王煜全
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