現(xiàn)實(shí)中的機(jī)械外骨骼是什么樣子的？

《鋼鐵俠》電影中，最吸引人的就是史塔克打造的那一套套裝甲了。在現(xiàn)實(shí)世界中，有不少公司、個(gè)人，都在試圖打造如鋼鐵俠裝甲一般的機(jī)械外骨骼。

一、什么是外骨骼？

“外骨骼”一詞來源于生物學(xué)中，主要是指為昆蟲和有殼類動(dòng)物提供防護(hù)和支撐功能的堅(jiān)硬外殼。人體機(jī)械外骨骼系統(tǒng)指的是一種穿戴在操作者身體外部的裝置系統(tǒng)。骨骼肌操作者身體受到保護(hù)、支撐的同時(shí)，通過傳感、控制、信息耦合、移動(dòng)計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)提供額外動(dòng)力或能力。人體機(jī)能的增強(qiáng)，使操作者可以實(shí)現(xiàn)更高難度的功能和任務(wù)。

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為了應(yīng)對不同情況，每種外骨骼裝置都有著一套獨(dú)特的交互邏輯。其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般基于仿生學(xué)和動(dòng)力學(xué)。

在使用時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過在人體和外骨骼系統(tǒng)中安放的壓力、角度、加速度等各種傳感器，實(shí)時(shí)感知人體和肢體的運(yùn)動(dòng)信息、力信息和生理信息。這些信息匯總后會(huì)進(jìn)行濾波和融合處理，并將處理結(jié)果傳輸給嵌入式計(jì)算處理器。

計(jì)算處理器會(huì)綜合各傳感器信息，利用相應(yīng)的感知和預(yù)測算法，感知人體姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)趨勢和人機(jī)耦合度等情況。同時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)綜合處理后的信息，將其轉(zhuǎn)換為控制參數(shù)，并采用人機(jī)耦合、智能控制等方法驅(qū)動(dòng)裝置執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，期間，外骨骼裝置會(huì)同時(shí)，實(shí)時(shí)跟蹤人體運(yùn)動(dòng)并為人體運(yùn)動(dòng)提供高效合適的助力，并滿足人機(jī)耦合協(xié)同運(yùn)動(dòng)的柔順性要求，將人和機(jī)器整合成為完整的“人機(jī)耦合系統(tǒng)”。

二、骨骼肌的分類

根據(jù)輔助人體部位，可分為上肢外骨骼、下肢外骨骼、全身外骨骼和某個(gè)關(guān)節(jié)外骨骼等。

以色列的Argo醫(yī)療技術(shù)公司推出的reWalk是一種幫助下肢功能障礙者行走、站立和上下樓梯的外骨骼系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)包括輕量可穿戴的支撐結(jié)構(gòu)、執(zhí)行電機(jī)、傳感系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。其控制算法通過對上身運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，來觸發(fā)和維持步態(tài)和其他操作，如爬樓梯和姿態(tài)轉(zhuǎn)換等。

根據(jù)使用途徑可以區(qū)分為增幅型和輔助型，增幅型主要運(yùn)用在軍事及工業(yè)領(lǐng)域。

在2006年，一家名為Sarcos的科研企業(yè)的產(chǎn)品經(jīng)過了DARPA的方案審核。旗下的XOS其具備前所未有的靈活性和靈敏度，同時(shí)緊貼身體表面的傳感器能夠感應(yīng)到穿戴者的動(dòng)作幅度和力度，通過算法運(yùn)算可以在使用者運(yùn)動(dòng)幅度內(nèi)輸出6倍的力度，這使得它名聲大噪。該公司在2010年又研發(fā)出XOS-2動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)，相較上一代產(chǎn)品重量輕了10%，能耗降低了50%。力量增幅卻達(dá)到了驚人的17倍。其性能全面增長使之深得美國軍方認(rèn)可，并被《時(shí)代》雜志列為2010年的50大發(fā)明之一。

像是鋼鐵俠戰(zhàn)衣的那種就屬于增幅型，可以極大提高身體的機(jī)能性，完成一些無法想象的動(dòng)作。而輔助型則在醫(yī)療領(lǐng)域較為常見，一般用于補(bǔ)償人體功能缺陷或不足，像是一些假肢和外科手術(shù)的輔助機(jī)械臂都是屬于這個(gè)范疇，多用于在醫(yī)療保健和康復(fù)服務(wù)。

三、骨骼肌的未來發(fā)展

隨著進(jìn)一步的發(fā)展越多的問題也隨之出現(xiàn)，對于各項(xiàng)技術(shù)的要求越發(fā)地精進(jìn)，使得發(fā)展的速度尤為緩慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足輕質(zhì)、堅(jiān)韌、舒適和承力的要求同時(shí)在舒適性上不僅是穿戴上后人體靜止時(shí)的感覺，更重要的是最小化運(yùn)動(dòng)過程中的約束感；且能夠應(yīng)用于不同的身高和體型。

承力要求在不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的情況下，外骨骼系統(tǒng)中的機(jī)械承載機(jī)構(gòu)不僅要有適宜的支撐力，還要盡量維持運(yùn)動(dòng)過程中人機(jī)系統(tǒng)的重心平衡，支撐人體多自由度上的運(yùn)動(dòng)能力。承力需要研究運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和力傳遞，分析各部位承受的載荷大小及方向，確立其力的傳遞。

人體結(jié)構(gòu)是多關(guān)節(jié)、多自由度的連接，僅通過單一的傳感設(shè)備無法分析人體的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，人機(jī)接El系統(tǒng)需要綜合運(yùn)用大量的傳感器，建立多人機(jī)交互通道，使人機(jī)以自然、并行的方式進(jìn)行人機(jī)交互，采集人運(yùn)動(dòng)過程中的力、位移、速度、加速度、傾角和生物電信號等信息，實(shí)現(xiàn)外骨骼系統(tǒng)對外界環(huán)境和穿戴者的靈敏精確感知。

而能源一直是制約便攜式設(shè)備的一個(gè)瓶頸。人體外骨骼服要求能源系統(tǒng)長效、輕便、高能、可靠和安全。如果沒有像鋼鐵俠一樣的反應(yīng)核心的話是很難支撐那么龐大的能量消耗的。

目前就外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用前景上來看，雖然各種廠商作出了各種嘗試，但是短期內(nèi)最廣闊三大市場主要是戰(zhàn)地后援、重型工業(yè)和醫(yī)療場景。但和智能機(jī)器人一樣，未來外骨骼機(jī)器人的主要市場一定還是消費(fèi)級市場，例如針對戶外行走、徒步、爬山、攀登等輕應(yīng)用，生產(chǎn)適用于膝蓋、大腿、鞋子、手臂等單個(gè)部件形式的產(chǎn)品，通過多元化、高自由度的設(shè)備組合方案滿足不同人群的各類需求。

說不定哪天我們夢想中的鋼鐵俠就會(huì)到來了。

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文章由科普中國-星空計(jì)劃（創(chuàng)作培育）出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。

作者：超離譜科技 科普團(tuán)隊(duì)

審核：陶寧 中科院生物物理所 副研究員