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“穿(chuān)”在身上的外骨骼机器人 ■宋可旸 王睿婷(wángruìtíng) 朱少阳 第十一届世界互联网大会上(shàng)，参观者体验外骨骼(wàigǔgé)机器人协助搬运重物。新华社发 以色列一家公司研发(yánfā)的ReWalk系列外骨骼机器人。供图：阳明 近日，以色列一家公司宣布，其(qí)最新研发的外骨骼机器人——ReWalk7即将上市。据悉，凭借(píngjiè)创新的技术设计，这款医用(yīyòng)智能辅助设备有望帮助瘫痪患者独立行走。 喜欢科幻电影的(de)朋友，一定对《钢铁侠》《流浪地球》中的机甲战士印象深刻。如今，这种科幻构想已(yǐ)从银幕(yínmù)跃入(yuèrù)现实，成为人类突破生理极限的“第二层皮肤”。伴随着信息化、智能化技术的迅猛发展，外骨骼机器人接连推出(tuīchū)“加强版”“升级版”“未来版”，助力人类不断拓展自己的能力边界。 那么，什么是外骨骼机器人(jīqìrén)？它有哪些应用场景？又(yòu)面临哪些机遇与挑战？请看本期解读。 “钢铁侠(xiá)”的百年历程 一般而言，外骨骼机器人是指一种可(kě)(kě)穿戴于人体外部的(de)智能机械装置。该装置通过将人体的感觉、思维和运动等与机器的传感系统、智能处理(chǔlǐ)中心及控制执行系统相结合，达到改善人体物理机能等目的，其本质是一类可实现人机结合的可穿戴式机器人。 人类对“外骨骼”的探索(tànsuǒ)，始于19世纪末的奇思妙想。 1890年，俄罗斯发明家(fāmíngjiā)尼古拉·亚格恩首次提出将无源机械结构“穿”在人体上增强运动(yùndòng)能力的构想。 后来随着蒸汽机与内燃机技术(jìshù)的发展，人们开始渴望用外部(wàibù)能源为“外骨骼”装甲注入新动力。 1917年，美国发明家莱斯利(láisīlì)·凯利设计了一部名为“Pedomotor”的步动辅助装置(zhuāngzhì)。该装置由蒸汽驱动，奠定了现代动力外骨骼的研发(yánfā)基础(jīchǔ)。不过，在实际使用时，穿戴者必须背负一台小型蒸汽机，这给使用者增加了较大身体负重。同时，“Pedomotor”僵硬(jiāngyìng)的关节与粗糙的动力学设计，使其难以随人体运动完成复杂(fùzá)的结构变形，最终无奈搁浅。 外骨骼机器人的第一次重大突破发生在(zài)1967年。 这一年，美国通用电气公司研制的“Hardiman”外骨骼机器人(jīqìrén)原型机横空出世。这款(kuǎn)原型机采用半仿生构型设计，通过液压(yèyā)驱动使该机器人具备30个关节自由度，能辅助普通人轻松举起一百多公斤重的物体(wùtǐ)。然而，“Hardiman”680公斤的自重、迟缓的动作节奏和惊人的能耗，严重限制(xiànzhì)了该机器人项目(xiàngmù)的落地(luòdì)。最终，该公司不得不放弃这一项目，留下了一地“钢铁残骸”。尽管如此，“Hardiman”的诞生(dànshēng)依然为外骨骼机器人的未来探索指引了方向。 进入21世纪后(hòu)，随着材料科学、传感器技术和控制算法的飞速发展，外骨骼机器人踏上了蜕变为(wèi)人类“第二层皮肤”的崭新阶段。 在医疗康复(kāngfù)领域，外骨骼机器人技术的(de)创新进步为肢体功能障碍患者开辟了新的治疗路径。日本东京筑波大学的实验室(shíyànshì)里(lǐ)，银白色的HAL外骨骼机器人捕捉使用者的肌电信号，有望为患者重新编织断裂的神经网络，让沉睡的肢体逐渐恢复健康。 在工业领域，通过力学补偿和人体工程学设计，外骨骼机器人正在为生产制造一线的(de)工人(gōngrén)卸下重负。以德国(déguó)仿生科技公司开发的CrayX外骨骼机器人为例，该机器人采用高强度碳纤维材料铸造骨架，兼具轻量化(qīngliànghuà)和耐用性的特点。另外(lìngwài)，其搭载的智能传感器(chuángǎnqì)系统可实时监测工人的动作姿态和受力情况，动态调整外骨骼机器人的支撑(zhīchēng)力度，有效减轻工人的肌肉疲劳和关节压力，从而显著降低工人因长期重复劳动或负重作业导致的职业损伤风险。 在(zài)军事装备的创新浪潮中，外骨骼机器人的引入，为(wèi)提升单兵作战能力开辟了新的途径。 例如，美国伯克利(bókèlì)仿生科技公司研发的“人体负重(fùzhòng)外骨骼”，不仅结构轻巧，负重能力也超过100千克。穿戴这种“外骨骼”的士兵，不仅能够轻松背负重型装备行军，还能同时完成在掩体后蹲姿射击(shèjī)等高难度战术(zhànshù)动作。此外，该系统能显著降低人体对(duì)氧气的消耗，大幅提升单兵的持续作战和战场机动能力。 “外骨骼”的(de)构型图谱 作为人机协同技术的(de)重要载体，外骨骼机器人的分类体系可(kě)依据多维度的技术特征与应用场景进行构建。 从特定部位来看，外骨骼机器人可分为上肢、下肢(xiàzhī)和全身三大类型。 上肢外骨骼(wàigǔgé)机器人类似于给手臂和肩部披上“机械(jīxiè)肌肉”，助力使用者轻松举起重型工具，完成精密装配作业。下肢外骨骼机器人则聚焦于对腰腿部位的支撑，其自适应(shìyìng)支撑结构既能为负重(fùzhòng)登高的消防员构建动态平衡支点，也能通过仿生步态算法，赋予截瘫患者自然流畅的行走节奏。全身外骨骼机器人则更进一步，通常采用模块化设计，将机械框架(kuāngjià)与人体的生物力学耦合，能支持特定部位的功能强化(qiánghuà)，提升(tíshēng)使用者整体运动能力。 从结构设计(jiégòushèjì)来看，外骨骼机器人可分为刚性和柔性两类。 刚性外骨骼(wàigǔgé)机器人(jīqìrén)由金属、塑料、碳纤维(tànxiānwéi)等硬质材料制成，通常具有刚性框架，可以为使用者提供强大的力量支持。然而(ránér)，它的“硬派”风格也带来了穿戴上的局限——关节活动范围受限，长时间使用可能让使用者感到束缚，甚至影响自然步态。 柔性外骨骼机器人则如同一件能提供动力的(de)“衣服”，通常采用轻质、耐用的功能性(gōngnéngxìng)纺织品制成。哈佛实验室研发的织物外骨骼机器人是其中的典型代表。通过轻量化的线缆结构牵引，该机器人帮助人类悄然协调每一步的起落，为(wèi)行走注入了更自然(zìrán)的步态辅助。 从应用领域来看，外骨骼(wàigǔgé)机器人主要分为增强类(lèi)外骨骼机器人和康复类外骨骼机器人。 增强类外骨骼机器人通过灵敏的(de)传感器和高效的动力单元(dānyuán)，“无缝衔接”使用者的动作意图，为关键部位提供精准的力量补充。这(zhè)类外骨骼机器人常见于需要高强度体力的场景，其核心使命是成为(chéngwéi)人类体能的延伸，让繁重的工作变得轻松可控。 康复类外骨骼机器人(jīqìrén)则更像一位“复健教练”，主要适用于脑卒中、脑损伤和(hé)脊髓损伤等患有神经系统(shénjīngxìtǒng)疾病的患者，帮助他们重拾肢体运动能力。 从能源驱动方式来看，外骨骼机器人又可分为主动式和被动式两类(liǎnglèi)。 主动式外骨骼机器人(jīqìrén)由外部源直接(zhíjiē)驱动机械结构输出辅助力，能够显著减轻使用者在运动过程中的力量负担。其动力来源多样，包括电池驱动的电机、液压系统等(děng)，配合高精度的传感器和智能控制算法，不仅能补偿因体力不足或伤病(shāngbìng)造成的肌力缺失，还能增强(zēngqiáng)健康使用者的力量和耐力。 相比之下(xiāngbǐzhīxià)，被动式外骨骼机器人没有额外电源，运作过程完全依赖使用者的运动行为。这类设备通过巧妙的机械设计，将人体动作中的能量转化为辅助力，实现“无中生有(wúzhōngshēngyǒu)”的能量回收(huíshōu)与利用，进而让行走变得更(gèng)轻松。 从20世纪60年代美国首次提出“外骨骼机器人(jīqìrén)”的(de)概念至今，全球已有多个国家开展关于外骨骼机器人的研究。 尽管世界上已推出多型外骨骼(wàigǔgé)机器人装备，但外骨骼机器人离批量投入(tóurù)市场使用还有一定距离。究其原因，外骨骼机器人技术发展仍面临诸多关键挑战(tiǎozhàn)： ——成本高昂，普及受限。作为智能穿戴技术的“天花板”，外骨骼(wàigǔgé)机器人集成了多种微型传感器(chuángǎnqì)、驱动器、电脑及其外围电路和复杂的控制算法(kòngzhìsuànfǎ)。这种高度集成与复杂性也伴随着高昂的元器件成本。 此外，为了追求轻量化、提高穿戴舒适性，外骨骼机器人往往选用昂贵的钛合金、硬铝合金等高强度轻质(qīngzhì)材料(cáiliào)，这些材料的运用也(yě)让外骨骼机器人的身价水涨船高。 目前，一套基础(jīchǔ)版下肢康复外骨骼机器人(jīqìrén)的(de)售价高达4.5万至8万美元，远超普通患者的承受能力；应用于军事(jūnshì)和工业领域的全身负重外骨骼机器人，价格更是令许多(xǔduō)潜在使用者望而却步。这种“高精尖”与“高成本”的门槛，成为外骨骼机器人技术普及路上的一道“天堑”。 ——结构笨重(bènzhòng)，舒适欠佳。外骨骼机器人的骨架通常由金属连杆构成，采用刚性结构设计，这导致其(qí)体积较大且有(yǒu)较大重量。通常，一套下肢外骨骼机器人的重量有10至30公斤。 此外，使用者穿戴下肢外骨骼机器人时，需要使用多层绑缚带将金属框架与(yǔ)(yǔ)人体腰、腿等部位多点锚定。这种刚性结构的(de)设计带来了显著的问题：当使用者迈步时，外骨骼机器人的传动杆件与生物(shēngwù)肢体形成机械与人体的双轨运动系统(xìtǒng)——金属连杆的刚性位移轨迹与肌肉牵拉的柔韧运动产生干涉效应，迫使穿戴者如同踩着轨道行走，只能(zhǐnéng)改变原有的行走习惯。 同时(shí)，人体髋膝踝关节原本是具备6个自由度的(de)精密球铰系统，而传统外骨骼机器人的旋转关节往往(wǎngwǎng)被简化为(wèi)单轴铰链结构。这种降维设计的机械关节在三维空间中运动时，其预设的转动轴线与人体关节瞬时(shùnshí)旋转中心产生的偏差，会通过金属框架传导为持续的作用力差。这犹如将精密齿轮(chǐlún)组与简单铰链强行啮合，最终将造成使用者身体肌肉的代偿性疲劳。 ——续航(xùháng)受限，效能打折。外骨骼机器人的(de)续航能力一直是制约其广泛应用的关键瓶颈之一。受限于当前电池技术的能量密度以及自身的重量(zhòngliàng)负担，大多数外骨骼机器人系统(xìtǒng)陷入了“充电两小时，工作一刻钟”的尴尬境地。 以美国伯克利大学研发的BLEEX外骨骼(wàigǔgé)机器人为例，尽管设计先进，但在背负30余公斤物品行走的情况下(xià)，“BLEEX”能量储备仅能(jǐnnéng)维持自身120分钟的持续运作。而雷神公司的XOS1机器人更是“电量焦虑”的典型代表——虽然功能强大，但自带的电池(diànchí)却只能持续供能40分钟。续航能力的不足，束缚了外骨骼机器人迈向军事、医疗和(hé)工业等领域的广阔(guǎngkuò)应用天地。 因此，在突破续航瓶颈的科技(kējì)攻坚中，能量存储与(yǔ)分配系统的迭代升级，正逐步成为外骨骼机器人技术持续进化的关键突破口。 尽管面临(miànlín)成本、舒适性与续航能力的三重挑战，新型材料、脑机接口和仿生算法的突破还是为(wèi)外骨骼机器人技术描绘出了清晰的发展路径——更轻薄的骨架将取代传统框架；固态电池与无线充电技术正在改写续航规则(guīzé)；AI深度学习算法赋予(fùyǔ)的“预判式辅助”将使机械(jīxiè)运动如臂使指。到那时，这场始于19世纪末的机械狂想，终将实现它的“承诺”：让科技进步(kējìjìnbù)延伸至人类(rénlèi)的肢体，为社会发展带来更多便利。 （来源：中国(zhōngguó)军网-解放军报）