外骨骼机器人能让我们秒变“钢铁侠”吗?

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京东曾在头条号上发布视频,晒出京东公司为物流工作人员研发了一款外骨骼机器人,佩戴在工作人员的背部,以尽量减少频繁弯腰拿取商品造成的腰椎损伤,如图2-1所示。

外骨骼机器人能让我们秒变“钢铁侠”吗?插图(1)

无独有偶,福特公司在2018年宣布与Ekso Bionics公司合作,在美国的两家汽车工厂内对外骨骼机器人进行测试,并展示出了实际应用的视频。这款机器人能够帮助工人减轻5~15磅的重量,从而减缓每天4600个日常高空作业任务对工人上半身造成的压力。

有京东和福特这样的知名公司带头,可以预见,外骨骼机器人将很快在各大工厂被应用。对普通员工来说,借助外骨骼机器人能够减轻工作中身体的负重压力,降低肩周炎、腰椎间盘突出等常见慢性疾病的发病率,确实是令人欣喜的好消息。

在为关心员工的好公司点赞的同时,我们不禁想搞明白,外骨骼机器人到底是什么高科技?穿上了它,是不是就拥有了钢铁侠般的超强能力?

可以肯定的是,影视作品中的“高科技”往往极度超越现实。虽然AI正处在飞速发展阶段,但是现实生活中的外骨骼机器人的研发速度并没有那么快。我们简要讲述了外骨骼机器人的前生今世,下面让我们共同了解这项可能改变人类生活状态的黑科技。

外骨骼机器人其实是美国军用装备

2000年,美国国防部基于增强士兵体能,提高单兵作战能力的目的,提出“外骨骼机器人”的概念。实际上,外骨骼机器人不同于我们在以往的军事战争或科幻电影中见到的“铁甲”,而是附着于人体外部的“AI”。它为穿戴者提供保护,并根据人的肢体活动来驱动机械关节重现动作,用以提供额外的动力,帮助使用者跑得更快、跳得更高、负重更强。

美国军方在研制招标书时提出4个要求:①外骨骼系统必须能够保护穿戴者,以大幅度减少伤亡。②外骨骼系统携带的能源必须能够维持24小时的工作,而且必须轻且完全无声。③外骨骼系统必须能够让士兵背负更大质量的同时仍然能够跑得更快,跳得更高、更远。④外骨骼系统必须采用流畅、高效且完全无声的液压元件。

在美国国防部的巨资支持下,雷神(Raytheon)公司的XOS和洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司的人类外骨骼负重系统(Human Universal Load Carrier,HULC)脱颖而出。同样是研究外骨骼机器人,两家公司的区别在于,雷神公司专注于研究全身机械外骨骼,而洛克希德马丁公司专注于研究可增强下肢能力的机械外骨骼技术。

从2000年开始立项,Sarcos Research公司经过6年研发,成功制作了第一款原型机XOS 1,也是XOS 2的原型。XOS 1搬运重量的实际和察觉比为6:1,也就是说当搬运60千克的重物时,穿戴者会感到只搬运了10千克。2007年,雷神公司收购了Sarcos Research公司,并在2010年推出XOS 2。XOS 1当初设计的目的主要是证明理论的可行性,XOS 2才对性能有了更高的要求,需要更轻、更快、更强的设计,并且需要降低能源消耗。XOS 2自重95千克,相比第一代产品的重量轻了10%,搬运重量的实际和察觉比为17:1,能源消耗也降低了50%。

2004年,大名鼎鼎的加州大学伯克利分校下属人体工程和机器人实验室成功研发出伯克利下肢外骨骼(BLEEX)——这就是HULC的原型。2009年,该实验室推出HULC,同时授权洛克希德·马丁公司在军事领域对其进行推广。HULC自重24千克,由背包式外架、金属腿框架及相应的液压驱动设备组成。穿戴者的负重不会作用在本人身上,而是直接由机械外骨骼传至地面。HULC的功能主要包括力量增强和耐力增强两项。力量增强体现为士兵佩戴后可搬运90千克的重物而毫无感觉,耐力增强体现为士兵在3.2 km/h的行动速度下可降低5%~12%的氧气消耗。

外骨骼机器人在医疗领域大放异彩

在2014年巴西足球世界杯开幕式上,一名下肢瘫痪的少年穿着智能机械骨骼外衣开球的飒爽英姿引爆了全场,向全球展示了康复外骨骼机器人的风采,也使这个集人机信息交互、机器人自动控制、神经康复工程等多学科知识于一身的高科技新成果引起了世人的瞩目。

针对腿脚不便的老年人及残障人士,外骨骼机器人可以辅助或恢复其腿部的行走移动,从而提高老年人及残障人士的生活质量。针对正常人,外骨骼机器人可以提高穿戴者的负重能力,并减少体能消耗。

2013年,日本筑波大学研制的HAL的第五代产品HAL 5上市,同年2月HAL 5获得了国际安全认证,这是第一个获得该认证的机械外骨骼产品。同年8月,HAL 5获得欧盟认证,其被允许在欧盟境内进行医学治疗。HAL 5的重量只有10千克,基本可以满足常人的承受力。通过感测体表的一些生物信息,如肌肉的运动、神经电流的改变,HAL 5可以模拟穿戴者的动作,并且在平行的方向上增强穿戴者的力量和耐力。

ReWalk是以色列ReWalk Robotics公司的明星产品,它同样拿到了美国FDA的认证,进入了上市销售阶段。它是一种可穿戴式辅助运动的下肢外骨骼,是一种帮助腰部以下脊髓损伤的人重新实现独立行走的外骨骼机器人。它由腿部支架、独立控制的髋关节和膝关节电机、充电电池、附着于关节框架的计算机系统及一副控制平衡的拐杖组成。髋关节和膝关节处均包含可驱动的屈伸自由度调节器,踝关节处则设有带限位作用的双向矫正关节,可以防止人体受到伤害。

2016年5月,哈佛大学怀斯研究所发布了与ReWalk Robotics公司合作研发的新一代外骨骼机器人,其采用拉伸检测运动技术,之后通过拉索驱动踝关节的动作,实现动作驱动。

国内对于外骨骼机器人技术的研究开展较晚,发展较缓,与国际水平相差较远。在AI浪潮的推动下,中国也有大量上市公司和创业公司开始涉足这一领域,如2017年深圳迈步机器人科技有限公司发布其首款面向偏瘫患者的外骨骼机器人BEAR H1、上海傅利叶智能科技有限公司发布了外骨骼机器人Fourier X1等,但目前还没有企业获得CFDA认证,也因此并未真正有产品完全进入到商用阶段。

从京东发布的视频来看,京东的外骨骼机器人动力系统很可能采用了结构较为简单的气压驱动。气压驱动式动力系统在有负荷的作用下,速度容易发生波动,不适用于较为精密的场合,只能在小功率场合应用,想要开发出高精密的外骨骼机器人可能还有较长的路要走。

外骨骼机器人让我们成为“钢铁侠”还比较困难

尽管外骨骼机器人取得了不少成就,但无法回避的现实是,目前技术上仍然面临不少困难。例如常见的液压系统所处的工作环境远比常规的地面液压系统复杂,液压系统在运动时常发生晃动、倾斜,同时系统中液压介质的容量也随时发生变化,容易导致运行不流畅、噪声大、可靠性不足。

用“钢铁侠”的标准来评判外骨骼机器人是否成熟可能有点苛刻,但无论如何,作为带辅助性质的AI器具,至少需要满足三点要求:智能化反馈足够及时、佩戴足够舒适、续航足够持久。这样的外骨骼机器人才能算得上成熟,而目前要实现这三点都面临一定的困难。

首先,足够及时的智能化反馈是操作流畅、体验良好的首要条件。在最基本的动作同步上,目前肌电信号采集的方法有很严格的外界环境限制,传感器会因汗液等细微因素的影响而受到干扰,使得外骨骼在进行动作的反馈时产生延迟,难以胜任高难度动作。更智能的外骨骼机器人,应能够在人机交互环路中准确、及时检测识别用户大脑的运动意图,达到所思即所动的理想运动控制效果。

其次,佩戴舒适是辅助器具的基本要求。目前的外骨骼机器人受限于外骨骼捆绑式的穿戴方法,会对人体造成压迫,导致血液不畅、肌肉变形,并因此影响外骨骼的定位精度。外骨骼机器人未来还必须在增加外骨骼关节自由度、使人们能更舒服地穿戴外骨骼并可以全方位地自由运动上下功夫。

最后,较为持久的续航才能有产品实用性,而从直观的参数上来看,目前的外骨骼机器人依然没有完全达到2000年美国国防部提出的要求,如HAL5的续航时间只有160分钟,ReWalk的续航时间只有3.5小时,远低于24小时的整天续航要求。这需要轻而坚固的复合材料和便携式的持久电源两方面的技术突破,这也是很多电子设备都面临的共同难题。

由此可见,目前的产品满足普适的三点要求都还存在一定的困难,要想一秒变身“钢铁侠”,目前还难以实现。不过,科技总是在不断发展,随着新材料、新技术的不断出现,在不远的将来一定会有更高级的智能人机交互、更加灵活舒适的外骨骼机器人产品投入市场,造福大众。

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