人类为什么无法拥有一副好用的外骨骼机器人?

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形而上谓之道,形而下谓之器,科学的归宿不仅是认识世界、改造世界,还可能是改造人类自身。

其实,人类对增强自身能力、突破极限充满向往并不是秘密,《钢铁侠》、《阿丽塔:战斗天使》、《流浪地球》等科幻作品充分展现了关于人类能力增强的无限想象,这些作品中的超级英雄形象是对外骨骼机器人技术应用的极致描绘。

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其实外骨骼机器人的概念兴起于 19 世纪,其本质是一种可穿戴机器人,能够为穿戴者提供保护功能、增强穿戴者的能力,比如延展、补充、替代或增强人的身体功能、肢体运动能力和负重能力。外骨骼机器人自1965 年在美国诞生以来已超过半个世纪,随着近些年计算机技术、传感技术、材料技术和控制技术等技术的进步,如今外骨骼机器人已经发展到何种地步了?为何普通人难以看到其商业化成果?未来普通人有机会拥有一副好用的外骨骼机器人“战甲”吗?

什么是外骨骼机器人

在探讨以上问题之前,我们首先需要弄清楚的是什么是外骨骼机器人。对于这个问题或许多数读者心中已有答案,毕竟大家在影视作品中与一些关于机器人的前沿报道中均有看到过外骨骼机器人的一些信息,也知道它能够让普通人秒变“超人”,但是对于外骨骼机器人是怎么工作的,一些技术原理上的认知还不足,所以我们将从外骨骼机器人的技术角度入手,让大家重新认识外骨骼机器人。

早期外骨骼机器人Man-Amplifier

外骨骼机器人技术的系统性研发始于20世纪60年代,以1965年的美国Hardiman项目为代表。该项目由美国国防部支持,由通用电气公司与康奈尔大学合作研发。该项目成果 Hardiman样机是最早的动力外骨骼机器人样机,其采用液压和电机驱动结构,配合力觉反馈感应系统,能够感受穿戴者的动作意图。

不过Hardiman当时存在较多问题,例如其启动肩关节操作时,手臂会倾斜,胳膊肘无法操作;而且其最早由于采用机械液压系统,所以稳定性较差,并且十分笨重,据悉Hardiman样机重达480Kg,只能实现0.76米/秒的移动速度。

数据来源:CB Insights中国

一般来说,外骨骼机器人由传感系统、控制系统、驱动系统、机械系统四大核心部件构成,其中控制系统与驱动系统是其核心。

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目前,外骨骼机器人的控制系统要获取穿着者的意图,主要有直接获取操作者意图和间接获取两种方式,直接获取操作者意图的方法是从生物信号(包括EEG脑电信号、ECG心电信号、EMG肌电信号、MMG皮肤机械信号、EOG眼电信号、GSR皮肤电信号,MEG脑磁信号)或人和机器人之间的交互力获取,其中外骨骼机器人最常见的就是使用EMG肌电信号收集并分析操作者的意图,不过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。

而间接获取的方法则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,即通过外骨骼硬件检测信号来估计人类意图(因为人要做出相应的动作肌肉会有相应的变化),这种方法也有一定问题,目前比较严重的就是无法区分操作者的力和外力,这样的话外界的力也会使得外骨骼机器人判断出错,有可能导致外骨骼机器人不稳定或者失控。

而外骨骼机器人的驱动系统有三个种类,分别是电机、液压与气动元件,其中电机驱动结构结构简单、精密高,便于自动化控制,是目前使用最多的方案,而气压驱动虽然体积小、成本低、操作方便,但是存在精度不高、难以控制、移动范围小等问题;此外液压驱动结构传动平稳、能动较高,可其结构复杂、重量较大,并且成本较高,目前外骨骼机器人中最主要还是采用电机驱动与气压驱动两种方式相结合的混动模式。

外骨骼机器人有何用处

前面提到,外骨骼机器人其本质是一种可穿戴机器人,能够为穿戴者提供保护功能、增强穿戴者的能力,延展、补充、替代或增强人的身体功能、肢体运动能力和负重能力,那么来外骨骼机器人可以用来干嘛呢?

数据来源:CB Insights中国

其一,在医疗健康领域,外骨骼机器人可以支撑患者的身体,帮助患者实现自由行动、康复训练。CB Insights调研数据显示,全球融资金额前十的企业中,多数企业的外骨骼机器人产品均属于医疗健康类,目前从全球各地的反馈消息来看,外骨骼机器人对于患者十分匹配。例如《中国青年报》报道,四川自贡小伙林寒因从高处摔落而落下肢体残疾,而在电子科技大学研制的外骨骼机器人帮助下,林寒通过胸部、腹部和腿部的绑带将外骨骼机器人穿在了身上,再通过肘杖上的控制按钮启动设备,外骨骼机器人会慢慢推动他从轮椅上站起来。只要再按动一下行走按钮,外骨骼机器人便会帮助他迈腿,通过手肘保持平衡一步一步顺利向前走。

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其二,在工作场景下外骨骼机器人可增强人类的肢体能力。其实在科学家们研制Hardiman(第一台外骨骼机器人)时的其中一个主要目的,便是开发一个能够帮助士兵搬运货物的机器人,所以在最初的设计要求中他们要求外骨骼机器人需要帮助穿戴者搬运682Kg负载,单臂需举起341Kg货物(因技术问题未能实现)。不过这一需求在新时代的外骨骼机器人中得以实现,例如日本神奈川工科大学研发的动力助力外骨骼穿戴设备——动力辅助服,能够帮助工人、护士上肢举起重物。

其三,在救灾军事场景下外骨骼机器人可以保护人类身体。与乌龟、所有甲虫一样,外骨骼机器人就像是护甲一样,对人体具有一定的防护作用;其四便是在生活娱乐场景中,外骨骼机器人可以充当链接虚拟世界与现实世界的桥梁,增强人类对虚拟世界的感知与体验。

安全性、功能性、用户友好性

前面提到,外骨骼机器人具有诸多好处,能够在多个方面造福人类,可为什么这么完美的外骨骼机器人却未走近千家 万户 呢?

一方面,外骨骼机器人价格是挡在普通人面前的第一道门槛,Kazerooni指出目前的外骨骼机器人设备通常在 10 万美元以上,而设备的价格下降到1万美元甚至更低才能让更多人使用得起外骨骼机器人、切实造福于行动障碍群体等,而造成外骨骼机器人价格居高不下的原因除了市场规模小、研发成本高等因素外,另一个隐性因素是外骨骼相关企业并不赚钱,四大上市企业营收均偏低。

数据来源:CB Insights中国

另一方面,外骨骼机器人自身仍被许多技术难题困扰,例如动力问题,这一问题困扰着外骨骼机器人的有效工作时间,华盛顿邮报等外媒将外骨骼机器人未在美国部队中普及归咎于外骨骼机器人续航太过无能,无法用于高强度作战。还有一个重要技术难题是轻量化,从Hardiman样机重达480Kg到最新的外骨骼机器人仅重20Kg,外骨骼机器人在轻量化方面取得了巨大进步,但是它现在穿戴久了仍然会出现肌肉不适、笨重不灵活等问题。

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当然,外骨骼机器人在自动化、机械工程、脑神经、材料等科研领域近几年还是出现了一些能优化外骨骼机器人的先进成果,例如2021年8月,美国加州理工学院和新加坡南洋理工大学团队在Nature发表《具有可调力学性能的结构化织物》,提出一种 “链甲”智能织物的研发成果,据悉这种 “链甲”材料的软硬调节通过微型气泵调节气压,可以满足人体穿戴材料的安全要求,而且其护腕或护肘等小型智能织物制造成本仅为100美元左右,价格更加平民。

数据来源:CB Insights中国

所以,未来外骨骼机器人应当朝着更安全、更人机友好、更强大、更智能、更轻便、更成本集约的方向发展。在工业类外骨骼机器人领域,需要在提升安全性上主要考虑人机耦合性、穿戴舒适性及人机友好性、轻量化、系统稳定性等技术问题,而这需要涉及整体机械结构、驱动模式、控制技术、算法、材料等技术模块的优化;在医疗康复类外骨骼机器人领域,需要提升外骨骼与人的关节精确对准、系统平衡稳定性,减少设备的压力束缚感、避免皮肤损伤、判断并应对用户操作失误等。总之,外骨骼机器人技术需重视从用户视角出发,未来普通人才有可能拥有一副好用的外骨骼机器人。

本文来自微信公众号 “青年投资家俱乐部”(ID:TheYoungInvestorClub),36氪经授权发布。