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鋼鐵俠戰衣實現記：外骨骼、動力機甲，人與智能機器“合體”

黑智 2017-04-25 11:15

本文系i黑馬原創 首發黑智（VR-2014）

未來世界，將會怎樣？

房子都漂浮在半空中，人類再也不用深受地震和海嘯的威脅；傳感器能夠小得如同沙粒一般，搜救工作再也不會費時費力；萬物達到高度互聯，能感知到彼此的存在……

我們有過太多對未來科技的幻想。但這其中，有多少是不切實際的幻想，有多少是正在成為現實的路上？黑智（VR-2014）今天推薦的這本名為《黑科技》的書籍中，來自前谷歌[X]實驗室成員、蘋果下一代輸入技術硬件工程師、Nest Labs傳感器工程師等矽谷一線的15位作者，展現了21項將會改變我們未來生活、讓人腦洞大開的前沿科技。

正如Future Labs未來實驗室胡延平在前言中所說，技術正在經歷從“計算”、“連接”再到“智慧”的進化。相對而言，以計算科技為主要表征的Information Technology 是第一浪，是為IT；Internet 是第二浪，喜歡大詞的業者將這個階段稱之為信息革命之網絡革命；現如今，Intelligent Technology這一浪已然來臨，這一浪是新IT，不是IT。

連接依然是效率與紅利之源，但連接不再是邊際效益、外部性、增量、賦能最顯著的價值源泉，即使IoT 未來也是如此，傳感、數據、智能才是未來。有個報告說，根據發表的論文和引用數量，從近兩年開始中國、華人已經處於人工智能研究的領先地位，占據半壁江山。並稱連白宮報告都對此感到“eclipsed”，可是AI 不是發paper，從FutureLabsFL 未來實驗室的AI 技術地圖來看，結論大為不同。不過，國家、地域、產業之爭並不重要，重要的是未來星球的創新生態與技術變遷。

新世界的變化正在9 個”維度”發生，可以透過9 度理論觀察未來：能量密度、數據密度、連接密度、感知尺度、網絡尺度、材料尺度、計算速度、移動速度、融合速度。技術使得IT 新物種的催生變得像代碼編程一樣簡單和快，創新本身的特性、形態和規律也變得不同以往。微分一切，流化一切，重構一切，感知一切，連接一切，智能一切。此時此刻，我們的確站在一個時代和另一個時代、一個生態和另一個生態的分水嶺上。

今天，黑智摘錄的，就是其中的第一章：機器人外骨骼。從童年動畫作品，到各種科幻電影中國的戰甲，正在走向現實。（黑智有刪節）

人體增強：外骨骼、動力機甲，人與智能機器走向“合體”

文 / 任化龍

亞馬遜Lab 126軟件工程師

斯坦福大學計算機科學碩士

1什麽是機器人外骨骼——從科幻到現實

人因為身體的先天限制因素，沒法像獵豹一樣快和敏捷，更沒法像螞蟻那樣扛比自身重好幾倍的東西。小時候觀看的動畫片中，“聖鬥士”們穿上“聖衣”後，戰鬥力激增，能夠挫敗敵手，維護安寧。不妨設想，有沒有類似的裝置，人穿上後能變得更強更敏捷，甚至使普通士兵變成神勇無敵的“聖鬥士”呢？許多電影里就有類似的情節，比如在影片《極樂空間》（Elysium）中，男主角Max本已因受強輻射而身體虛弱，裝上外骨骼後卻能夠和反面勁敵 Kruger肉搏激戰；再如影片《明日邊緣》（Edge of Tomorrow）中，湯姆·克魯斯作為人類士兵身穿單兵機甲與外星生物大戰；電影《阿凡達》（Avatar）更構想了體型巨大、可讓人坐入其中操控的AMP戰鬥機甲。還有，差點忘了說鋼鐵俠套裝，但是這款裝備過於科幻，既能飛又能發射手炮，胸口還有一個一輩子不用交電費的小型核反應堆提供能源。相比之下，還是前面幾個比較接地氣。

夠了夠了，別提這麽多虛幻的電影了，現實中類似的技術到底發展得怎樣呢？別急，咱們先介紹下基本概念。其實影片中出現的，穿在人身上的裝置叫做機器人外骨骼，它能通過機械系統為人助力，其結構酷似節肢動物（如螃蟹）的堅硬外殼（學名為外骨骼，即骨頭長在肉外面），而且在技術上屬於機器人的範疇，因此得名。其中偏軍用的裝置有時也叫動力裝甲。而尺寸較大、功能更強的，尤其是人可以坐在里面操控的稱為機甲。機器人外骨骼目前主要應用於醫療康複、救援、工程作業以及軍事等方面。

機器人外骨骼系統一般包括機械結構、傳感部分、動力與傳動部分、能源部分和控制部分。機械結構為整個系統提供結實的支撐，並通過綁帶或其他方式固連在人身上來分擔承重以及提供發力的基礎。下半身型外骨骼與人身體固連部位主要是腰部和腿部；全身型外骨骼的固連部位除了腿部和腰部，還包括上肢和軀幹。傳感器和信號處理電路構成了傳感部分，以采集人體運動趨勢、位姿與力量等信息，為控制部分提供判斷依據。動力與傳動部分一般由電機、液壓元件或氣動元件提供驅動力或力矩，再通過傳動元件傳至機械結構，從而使外骨骼做出動作。

多數外骨骼系統會采用電池提供總能源，但現有的電池幾乎都不足以維持系統長時間高負荷工作，又不可能過分增大電池容積（過重，且外骨骼有尺寸限制），因此有些外骨骼會采用燃油和小型內燃機提供能源和原始動力。

控制部分的核心是微型電腦與控制軟件，它能綜合傳感部分傳來的信息，按照人的意圖指揮動力傳動部分。下面我們來看看當前世界範圍內幾個極具代表性的產品。

2機械外骨骼代表性產品

日本HAL系列康複／作業用外骨骼

眾所周知，日本的機器人行業非常發達，機器人外骨骼技術也不在話下。其中最有代表性的當屬日本築波大學和日本科技公司“賽百達因”（Cyberdyne）聯合開發的 HAL系列外骨骼。它有兩個主要的版本：下半身型 HAL⁃3和全身型 HAL⁃5。其功能定位是輔助行動受障礙的人士，或者助力強體力作業（比如救援工作需要搬開重物）等。

最早的原型是由現為日本築波大學教授的Yoshiyuki Sankai提出的。早在1989年，他獲得機器人學博士學位後就開始了設計工作。他先用了3年時間整理繪制了人體控制腿部動作的神經網絡，之後又用了4年時間制作了一部硬件原型機。它由電機提供動力，並通過電池供電。早期版本的重量很大，光是電池就有 22公斤，需要 2名助手幫助才能穿上，而且要連接至外部電腦，因此很不實用。最新的型號在重量方面有了很大改善，整套HAL⁃5才重10公斤，而且電池和電腦被集成環繞在腰間。HAL系列外骨骼的控制方式最有意思，不過在深入展開之前，咱們還是先了解下人是如何控制身體運動的吧。

當人想讓身體做出動作的時候，腦部會產生控制信號，並通過運動神經傳送至相應肌群，從而控制肌肉和骨骼的運動。這些神經信號多少會擴散到皮膚表面，形成表面肌電信號，雖然很微弱，但仍能被電子電路檢測到。HAL系列外骨骼通過表貼在人皮膚的傳感器采集這些信號，控制外骨骼做出和人相同的動作，從而為人的行動助力。對於身患殘疾或肢體運動障礙的使用者，這是很巧妙的辦法。HAL系列外骨骼目前已經在醫療機構大量使用，取得了一系列巨大的成功，於2012年12月獲得國際醫療器械設計制造標準認可（ISO13485），又於2013年2月獲得國際安全性證書（世界第一款獲此認證的動力外骨骼），並於同年 8月獲得 EC證書獲準在歐洲進行醫療應用（同類醫療用機器人中獲準的第一款）。

美國矽谷BLEEX軍事／安防用外骨骼

美國矽谷是高科技的聚集地，在機器人外骨骼方面也有相當傑出的成就。加州大學伯克利分校人體工程與機器人實驗室開發的“伯克利下肢外骨骼”（BLEEX）可謂是目前已公開的、在軍事應用方面技術最領先的外骨骼系統。2000年，它被美國國防高級研究計劃局（英文簡稱 DARPA）看中並資助。該項目主要用於士兵、森林消防與應急救援人員，幫助他們長時間背負沈重的武器、通信設備和物資。這些苛刻的應用場合，要求外骨骼系統能提供很強的力量和較長的工作時間、保證機械和控制可靠，重量要輕並且要符合人體工學才能保證動作敏捷和長時間穿戴舒適。

第一臺實驗樣機由雙腿動力外骨骼、動力／能源單元和可背負各種物品的與框架構成。為做到力量強勁，BLEEX采用液壓驅動，並由燃油作為主要能源；同時電控部分仍由電池供電（官方資料稱其為混合動力）。為保證在野外使用可靠，當燃油耗盡時，腿部外骨骼可輕易拆下，余下部分可像普通背包一樣繼續使用。2014年11月，第一臺實驗樣機成功亮相，試穿者身背重物卻只感覺像幾磅重，並能較靈活地蹲、跨、走、跑，跨過或俯身鉆過障礙，以及上下坡。

BLEEX 的控制方式是一大亮點。傳統檢測表面肌電信號的方式比較適合身患殘疾或具有肢體運動障礙的使用者，但其最大的問題在於傳感器需要和皮膚密切接觸，而且信號采集並不總是可靠（比如流汗狀態下，傳感器就沒法緊貼皮膚；而且會改變信號通路的阻抗，信號檢測就會不準確），顯然不適用於軍用這類對可靠性要求較高的場合。因此 BLEEX 另辟蹊徑，采用力反饋的方式：當人腿部開始產生動作的時候，這個力量會帶動腿部外骨骼一起產生相同的運動趨勢，裝在外骨骼上的傳感器會敏感地捕捉到這個趨勢並驅動外骨骼做出順應這個力的動作，從而增強力量。不過此方法也不完美，因為要求穿戴者先做出動作趨勢，外骨骼才能跟著加強這個動作，當穿戴者做出快速或者高難度的動作時就會有阻礙或滯後感，而且也不適用於截癱截肢的患者使用。

Bra⁃Santos Dumont外骨骼讓巴西截癱少年在世界杯上開球

2014年 6月 12日，聖保羅舉行的巴西世界杯開幕式上，一名癱瘓少年在名為“Bra⁃Santos Dumont”的腦控外骨骼的幫助下開出了激動人心的第一球。這款腦控外骨骼是國際“再次行走計劃（Walk Again Project）”的一個研究成果，由杜克大學教授 Miguel Nicolelis領導。其靈感來自於 Miguel Nicolelis教授的團隊在 2013年進行的一項實用且有趣的實驗，他們開發出一套算法，能幫助恒河猴控制兩只虛擬手臂。這款腦控外骨骼系列通過穿戴者佩戴的特殊 “帽子”接收腦電波信號，通過裝有動力裝置的機械結構支撐這名少年的雙腿，並幫助他的腿部運動。研究小組為外骨骼安裝了一系列傳感器，負責將觸感、溫度和力量等信息反饋給穿戴者，穿戴者能夠感知是在何種表面行走。Miguel Nicolelis 教授在接受法國媒體采訪時表示：“外骨骼由大腦活動控制，並將信息反饋給穿戴者，這還是第一次。”

值得一提是，相比於前面提到的檢測表面肌電信號和基於力反饋的兩種控制方式，該外骨骼的控制方式特別適用於佩戴者身體已經截癱或失去下肢的情況。這是因為穿戴者已經無法產生動作以提供力反饋，（截癱患者）也沒法形成表面肌電信號。但它也有缺陷，目前能夠識別的腦神經信號是很有限的，而且難以保證信號檢測準確。此外，這種方式需要將電極植入頭皮或腦內，具有一定的創傷性。

中國自主研發的認知外骨骼機器人 1號

中國在機器人外骨骼領域也占有重要的一席。在中科院常州先進制造技術研究所，有一款外骨骼在研發調試階段。它名為 EXOP⁃1（認知外骨骼機器人 1號），［4］目前只有下半身，主要結構由航空鋁制成。雙腿的髖關節、膝關節和踝關節各有 1個電機驅動（共 6個），共裝有 22個傳感器以及一個控制器，並由電池提供能源，在人腰部和腿部共有 9處固定帶。該外骨骼自身總重約 20 公斤，計劃承重 70 公斤。它的控制方式和 BLEEX 很接近，都是基於力反饋預判人的動作趨勢。中國正在研發外骨骼項目的機構中，已公開報道過的，還包括中科院合肥智能機械研究所和解放軍南京總醫院。

3目前存在的問題與未來發展趨勢

前面提到的這些機器人外骨骼和機甲，它們的動力裝置無非是電機、液壓或氣動元件等。這些動力元件要想產生足夠大的力量，尺寸也必須做得較大，自重也跟著變大了，而且工作時還常有難以忍受的噪音。現有可用於機器人的各種電池的續航力也還很低，設計時也需平衡容量、尺寸和重量等因素。這些核心元件的問題，是當前所有實體機器人系統都要面臨的，而且屬於產業級別的瓶頸。在瓶頸解決之前，目前各家外骨骼產品的主要看點集中在系統集成優化程度（外觀、尺寸、重量、續航力、價格、可靠性、力量與敏捷度之間的平衡）以及控制方式上的創新。

這個瓶頸同樣也制約了機器人外骨骼在軍事方面的實際應用。幾年前就聽說戰鬥民族俄羅斯在開發炫酷的單兵外骨骼系統，但至今也沒看到確切消息。不過可以肯定的是，由於巨大的軍事應用潛力，大國們不會在這個領域甘於落後。當硬件的技術瓶頸和成本逐步降低後，軍用外骨骼會逐漸成為現實。民用級機器人外骨骼也有望進一步大規模商業化，尤其是在醫療康複方面。老年人的行走助力是一個正在逐步擴大的市場，會有越來越多的人有能力購買並願意使用機器人外骨骼。

外骨骼還可用於虛擬現實交互、動作類遊戲。穿戴者能夠通過外骨骼感受到觸感、力量感，從而體驗近乎於現實世界的反饋。舉例來說，在模擬射箭遊戲中，當玩家模仿拉弓的動作時，手臂和背部的外骨骼會施加一定的阻力，讓玩家體驗弓的張力。類似的遊戲場景還有打高爾夫、模擬拳擊對戰等。甚至可以通過外骨骼主動做出動作來幫助玩家或運動員學習正確的動作。若外骨骼系統的成本能夠大幅降低，並且虛擬現實技術進入成熟階段，這二者結合形成的娛樂體驗場景將是一個極為廣闊的市場。

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