從鋼鐵俠到現(xiàn)實(shí)：外骨骼機(jī)器人如何重塑人類？

外骨骼機(jī)器人在眾多令人熱血沸騰的科幻電影里常常出現(xiàn)，它們通常會賦予角色超乎想象的力量與能力，讓觀眾們在大熒幕前感受到科技與想象碰撞出的絢爛火花，提前看到這項(xiàng)科技會帶來的無限可能。

例如《鋼鐵俠（Ironman）》中托尼·斯塔克的戰(zhàn)甲讓他成為了名副其實(shí)的鋼鐵俠，電影《流浪地球》中的動(dòng)力裝甲為人類在極端環(huán)境下的生存和工作提供了強(qiáng)大的支持，又比如《異形2（Aliens）》中，女主蕾普莉（Ellen Ripley）借助一種稱為 “動(dòng)力裝載機(jī)” 的獨(dú)特外骨骼裝置，與兇猛的怪物展開殊死搏斗。

電影《異形2（Aliens）》劇照

這些影片中的外骨骼機(jī)器人形態(tài)各異、功能強(qiáng)大，讓人類通過機(jī)械裝置增強(qiáng)了體力與能力，突破了生理局限。而如今，外骨骼機(jī)器人不再是虛構(gòu)的科技，它正在成為改變?nèi)祟惿畹默F(xiàn)實(shí)工具。

游客攀登泰山的肯綮科技VICX外骨骼機(jī)器人

比如，在2025年春節(jié)期間投入泰山景區(qū)試用的肯綮科技VICX外骨骼機(jī)器人，自重僅1.8公斤，借助先進(jìn)的人體工學(xué)設(shè)計(jì)以及動(dòng)力、電子和AI算法等核心技術(shù)，能感知穿戴者下肢運(yùn)動(dòng)趨勢并精準(zhǔn)助力，一次充電可持續(xù)行走超5小時(shí)、行程約14公里 ，讓游客爬山更輕松。

傲鯊智能在該領(lǐng)域也成果顯著，2024年7月推出結(jié)合外骨骼技術(shù)與人工智能的 “啟元 TR1”機(jī)器人，還推出多款如PES - U 儲能上肢外骨骼等 “千元級外骨骼” 產(chǎn)品，已拓展至 17個(gè)國家地區(qū)市場。

此外，傅利葉智能在康復(fù)外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，其產(chǎn)品能幫助肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者康復(fù)訓(xùn)練，提升生活質(zhì)量；北京理工大學(xué)研發(fā)的軍用外骨骼可幫助士兵減輕負(fù)重、提升作戰(zhàn)效能；上海大學(xué)則在人機(jī)交互技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，使外骨骼人機(jī)協(xié)作更自然流暢。這些進(jìn)展都在不斷推動(dòng)外骨骼機(jī)器人技術(shù)邁向新高度，拓展其應(yīng)用邊界。

01

什么是外骨骼機(jī)器人？

外骨骼（Exoskeleton）一詞源于生物學(xué)中昆蟲和殼類動(dòng)物的堅(jiān)硬外殼，主要為昆蟲和殼類動(dòng)物提供保護(hù)、補(bǔ)足與支撐，從而增強(qiáng)它們的運(yùn)動(dòng)、防護(hù)和適應(yīng)環(huán)境的能力。

左為昆蟲的外骨骼結(jié)構(gòu)，右為外骨骼機(jī)器人。

外骨骼機(jī)器人（Powered Exoskeleton）是一種穿戴式的可移動(dòng)機(jī)械裝置，通過電機(jī)、傳感器、控制系統(tǒng)等技術(shù)協(xié)作，增強(qiáng)或恢復(fù)人體的運(yùn)動(dòng)能力。

這種機(jī)器人的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)助力工具無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的問題，使得外骨骼機(jī)器人不僅能增強(qiáng)體力，還能精確地配合使用者的自然動(dòng)作。

外骨骼機(jī)器人的發(fā)展并非一蹴而就，其起源可以追溯到十八世紀(jì)。早期的外骨骼雛形結(jié)構(gòu)相對簡單，主要采用了較為笨重的金屬框架和簡單的機(jī)械傳動(dòng)裝置，雖然能夠提供一定的力量輔助，但由于技術(shù)限制，存在著諸多問題。

已知最早的類似外骨骼的裝置是由俄羅斯工程師尼古拉斯·亞根（Nicholas Yagin） 于1890年開發(fā)的一種輔助運(yùn)動(dòng)裝置。它使用儲存在壓縮氣袋中的能量來協(xié)助移動(dòng)，但仍需要額外人力來保持運(yùn)動(dòng)。

Hardiman裝甲

到二十世紀(jì)六十年代，第一臺真正與人類運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的“移動(dòng)機(jī)器”出現(xiàn)——Hardiman裝甲。該裝甲是由通用電氣（General Electric）和美國武裝部隊(duì)（US Armed Forces）共同開發(fā)，主要?jiǎng)恿κ怯梢簤汉碗娏Γ⑶掖嬖诹α糠答佅到y(tǒng)，讓使用者可以感受到力與物體之間的作用。

該設(shè)備包含三十多個(gè)動(dòng)力關(guān)節(jié)，可將使用者的力量放大了25倍，輕松舉起一百多公斤的物體。然而Hardiman裝甲的局限性很大，其自身680kg的重量與不及時(shí)的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，讓該設(shè)備的實(shí)際用處大打折扣，最終該項(xiàng)目以失敗告終。

02

現(xiàn)代外骨骼機(jī)器人技術(shù)突破：

科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)的可能性

隨著科技的飛速發(fā)展，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，材料科學(xué)、電子技術(shù)、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的重大突破為外骨骼機(jī)器人的發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。

在材料方面，新型輕質(zhì)高強(qiáng)度材料的不斷涌現(xiàn)，如碳纖維復(fù)合材料、鈦合金等。這些材料不僅具有很高的強(qiáng)度和剛度，能夠承受較大的外力和扭矩，而且密度較低，大大減輕了使用者的負(fù)擔(dān)。

同時(shí)，柔性材料和智能材料的研究也在不斷推進(jìn)，如形狀記憶合金、壓電材料等，有望使外骨骼機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)，提供更加自然、舒適的助力體驗(yàn)。

在電子技術(shù)方面，現(xiàn)代外骨骼機(jī)器人的運(yùn)作機(jī)理關(guān)鍵在于精準(zhǔn)感知、智能決策與高效執(zhí)行?，F(xiàn)如今電子技術(shù)的發(fā)展，讓外骨骼機(jī)器人在感知、控制、驅(qū)動(dòng)方面發(fā)展迅速。

微處理器運(yùn)算速度的加快，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)處理大量的傳感器數(shù)據(jù)，使外骨骼機(jī)器人的智能化和精準(zhǔn)控制成為了可能。而人工智能技術(shù)的應(yīng)用更是讓外骨骼機(jī)器人具備了 “學(xué)習(xí)” 和 “適應(yīng)” 能力。

通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，外骨骼機(jī)器人可以根據(jù)使用者不同的身體特征、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣和需求，自動(dòng)調(diào)整控制策略和模式。例如，在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域使用的外骨骼機(jī)器人，能夠在與患者的互動(dòng)過程中，不斷學(xué)習(xí)患者的康復(fù)進(jìn)展情況和運(yùn)動(dòng)能力變化，從而為患者提供個(gè)性化的康復(fù)訓(xùn)練方案。

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機(jī)器人還能夠?qū)?fù)雜的環(huán)境信息進(jìn)行分析和處理，提高其在不同場景下的適應(yīng)性和安全性。例如，當(dāng)外骨骼機(jī)器人在戶外崎嶇不平的地形上輔助使用者行走時(shí)，它可以通過視覺傳感器識別地形特征，自動(dòng)調(diào)整腳步的高度和姿態(tài)，避免使用者摔倒。

03

多種多樣的外骨骼機(jī)器人

現(xiàn)如今外骨骼機(jī)器人種類繁多，這些看似功能相近的外骨骼機(jī)器人，其實(shí)有著多種多樣的分類方式，每一種分類背后都蘊(yùn)含著其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念、應(yīng)用范圍和技術(shù)特點(diǎn)。

從特定部位來看，外骨骼機(jī)器人可分為上肢、下肢、全身三大類。

上肢指的是為人體上半部分制造的外骨骼，涉及胸部、頭部、背部、肩部。下肢指的是為人體下半部分制造的外骨骼，涉及大腿、小腿、臀部。全身則指的是為提高人類全身或者大部分機(jī)能而制造的外骨骼機(jī)器人。

此外，還有針對特定肢體和特定關(guān)節(jié)的，包括為膝蓋、腳踝、手、手臂、腳等設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人。

左為上肢，中間為下肢，右為全身。

從結(jié)構(gòu)看，外骨骼機(jī)器人可分為剛性和柔性兩類。剛性外骨骼是由硬質(zhì)材料，如金屬、塑料、纖維等制成，并且通常具有剛性框架。也是我們通常印象中的機(jī)器人形象。

而柔性外骨骼通常采用輕質(zhì)、耐用的功能性紡織品，并且在關(guān)鍵部位存在彈性裝置，使整體機(jī)器人質(zhì)量輕、靈活度高、更符合人體生理結(jié)構(gòu)。

左為剛性，右為柔性。

從給予用戶幫助的類型來看，外骨骼機(jī)器人可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類：主動(dòng)類指這些外骨骼執(zhí)行運(yùn)動(dòng)時(shí)不需要使用者額外費(fèi)力，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)所需的能量由外部能源提供。被動(dòng)類的外骨骼機(jī)器人沒有額外電源，必須需要使用者實(shí)行一定的運(yùn)動(dòng)行為才能發(fā)揮作用。

最后從外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域來看，如今市面上的外骨骼機(jī)器人主要分為兩類：

一種是針對特定關(guān)節(jié)性助力的人體增強(qiáng)類的外骨骼，這種外骨骼主要是用來增加人的力量，拓展能力上限；另一種則是康復(fù)類外骨骼，主要用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，比如輔助癱瘓病人行走。

因此，外骨骼機(jī)器人主要會涉及醫(yī)療、工業(yè)、軍事領(lǐng)域。

04

癱瘓患者重新行走的曙光

在醫(yī)療領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人為眾多癱瘓患者帶來了重新行走的希望。以ReWalk外骨骼機(jī)器人為例，它是一款在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于脊髓損傷患者康復(fù)治療的先進(jìn)設(shè)備。許多因意外事故導(dǎo)致脊髓受損而癱瘓的患者，在借助ReWalk外骨骼機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練后，取得了令人矚目的康復(fù)效果。

借助外骨骼機(jī)器人站起來的癱瘓患者

如果某人在一次車禍中不幸脊髓受傷，導(dǎo)致下半身完全失去知覺和運(yùn)動(dòng)能力。在引入外骨骼機(jī)器人之前，類似的癱瘓患者往往只能依賴輪椅生活，其日?；顒?dòng)受到極大的限制。然而，現(xiàn)在，在專業(yè)康復(fù)治療師的指導(dǎo)下，他們可以穿戴外骨骼機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

外骨骼機(jī)器人能夠通過傳感器精確感知患者上半身的微小運(yùn)動(dòng)，如身體重心的轉(zhuǎn)移、手臂的擺動(dòng)等，并將這些運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為外骨骼腿部行走的動(dòng)作指令。

經(jīng)過長時(shí)間的堅(jiān)持訓(xùn)練，患者有可能逐漸恢復(fù)部分腿部肌肉的控制能力，并能夠在外骨骼機(jī)器人的輔助下站立起來，甚至緩慢行走。盡管目前接受康復(fù)訓(xùn)練的患者還不能完全脫離外骨骼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行走，但這一顯著的進(jìn)步已經(jīng)極大地改善了他們的生活質(zhì)量。

除了幫助癱瘓患者恢復(fù)行走能力外，外骨骼機(jī)器人在其他康復(fù)治療領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

例如對于腦癱兒童的康復(fù)訓(xùn)練，外骨骼機(jī)器人同樣有著不可替代的作用。由于腦癱兒童的肌肉控制能力和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性較差，多數(shù)成年后會失去獨(dú)立行走的能力。

目前傳統(tǒng)治療方法只有手術(shù)與藥物注射，而專門為腦癱兒童設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人則可以通過溫柔而精準(zhǔn)的動(dòng)作輔助，幫助孩子們進(jìn)行站立、行走、平衡等基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)能力的訓(xùn)練，有效改善了患兒病態(tài)的蹲伏姿勢，恢復(fù)其運(yùn)動(dòng)能力。

可以想象，在未來，外骨骼機(jī)器人在康復(fù)治療方面將取得更加驚人的突破。也許有一天，外骨骼機(jī)器人能夠通過與人體神經(jīng)系統(tǒng)的深度連接，利用神經(jīng)再生技術(shù)和生物電刺激療法，刺激受損的脊髓神經(jīng)重新生長和修復(fù)。

就像電影《阿凡達(dá)》中所展現(xiàn)的那樣，通過先進(jìn)的生物技術(shù)和機(jī)械裝置的結(jié)合，使癱瘓患者不僅能夠重新行走，甚至能夠像正常人一樣感受腿部的觸覺、溫度覺等各種感覺，真正實(shí)現(xiàn)身體功能的全面恢復(fù)。

電影《阿凡達(dá)（Avatar）》劇照

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人類力量升級的增幅器

在工程制造領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人可以為工人減輕繁重體力勞動(dòng)的負(fù)擔(dān)，提高生產(chǎn)效率。在汽車制造工廠、航空航天試驗(yàn)場以及物流倉庫等地方，都需要工人每天搬運(yùn)大量的重物，頻繁操作重量大的機(jī)械部件等。傳統(tǒng)的方式主要依靠工人手動(dòng)操作起重機(jī)或搬運(yùn)工具，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且容易出現(xiàn)安全事故。

現(xiàn)在，一些企業(yè)引入了外骨骼機(jī)器人來協(xié)助工人完成這些繁重的任務(wù)。這些工業(yè)外骨骼機(jī)器人通常具備強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠輕松地搬運(yùn)和移動(dòng)重型零部件。工人只需穿戴外骨骼機(jī)器人，通過簡單的操作指令，就可以讓外骨骼機(jī)器人與自己協(xié)同工作，降低了工作強(qiáng)度，并且很好地保護(hù)到工人的健康。

熬鯊智能官網(wǎng)展示的工業(yè)型外骨骼機(jī)器人

在軍事領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人正逐漸改變著戰(zhàn)爭的模式和士兵的作戰(zhàn)方式。例如美軍正在研發(fā)的新型外骨骼機(jī)器人項(xiàng)目——伯克利外骨骼系統(tǒng)The Berkeley exoskeleton system（BLEEX）。

伯克利外骨骼系統(tǒng)（圖片來源：美國伯克利大學(xué)網(wǎng)站）

伯克利外骨骼系統(tǒng)可以為士兵、救災(zāi)人員、戰(zhàn)斗機(jī)駕駛員和其他緊急救援人員提供了一種大量增加自身負(fù)載量的能力。

這套系統(tǒng)還可以讓使用者在任何類型的地形上、以最小的耗力長時(shí)間攜帶食品、救援設(shè)備、急救用品、通信設(shè)備和武器等負(fù)載物，同時(shí)可以靈活的做出各種動(dòng)作，如蹲下、彎曲、左右擺動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、在上坡和下坡上行走和跑步，以及在攜帶設(shè)備和用品時(shí)越過障礙物等。

BLEEX項(xiàng)目的主要目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)自我供電的外骨骼，其力量和耐力增強(qiáng)人類是符合人體工程學(xué)的，并且高度可折疊，機(jī)械堅(jiān)固，重量輕，耐用。

電影《明日邊緣（Edge of Tomorrow）》劇照

未來的軍事外骨骼機(jī)器人可能會綜合眾多高科技功能，就像在電影《明日邊緣》中那樣。它將集超強(qiáng)力量、高機(jī)動(dòng)性、自適應(yīng)偽裝于一體，能依環(huán)境變換外觀隱匿身形；內(nèi)置智能戰(zhàn)術(shù)分析模塊，連通衛(wèi)星與無人機(jī)，為士兵呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場全貌并預(yù)判敵方行動(dòng)；還可能實(shí)現(xiàn)神經(jīng)連接交互，士兵以腦電信號精準(zhǔn)控機(jī)，達(dá)成人機(jī)高度協(xié)同，大幅提升作戰(zhàn)效能與生存能力。

參考資料

周偉杰,韓亞麗,朱松青,等.柔性外骨骼助力機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版）, 2019, 017(001):31-38.DOI:10.13960/j.issn.1672-2558.2019.01.007.

邢凱,趙新華,陳煒,等.外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2015, 36(1):4.DOI:10.7687/J.ISSN.1003-8868.2015.01.104.

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https://www.sciencenet.cn/skhtmlnews/2017/9/3698.html

https://www.toutiao.com/article/7467932241423893027/?upstream_biz=doubao&source=m_redirect

https://news.qq.com/rain/a/20250204A03CCP00

策劃：張超 李培元 楊柳

審核：付昌義 南京工業(yè)大學(xué)副教授

江蘇省科普作家協(xié)會科幻專委會主任委員