今天是北京冬残奥会火炬传递的最后一天,上午的火炬手有些特别。装了上肢助力外骨骼的女火炬手叫彭园园,火炬被紧握在她的机械手当中;另外一位火炬手叫杨淑亭,她借助下肢助力外骨骼站立、行走,火炬插放在她腰间的机械配件上。



两位女火炬手借助外骨骼传递火炬|东方 IC

据赛事相关负责人介绍,彭园园为了实现自主抓握,配合外骨骼设备做了九个月适配训练;而下肢截瘫的杨淑亭则花了五个月时间,和下肢外骨骼“磨合”,现在已能直立行走,顺利传递火炬。

这些结构复杂的机械机构,和火炬手达成一种和谐的“共生”关系:这些机械装置能及时响应她们想做但肉身做不到的动作,就像是人类机能的自然延伸一样。

在 2014 年的巴西世界杯开幕式上,一名瘫痪少年作为开球嘉宾,在脑控外骨骼的帮助下顺利开球。



穿着脑控外骨骼装备的瘫痪少年飒爽开球|视频截图

外骨骼早已不是新鲜事,在上世纪 60 年代,人类就开始了技术探索。

穿在身上的机器人

人类的骨骼被皮肤和肌肉包裹着,属于内骨骼;像螃蟹和蝎子等节肢动物的骨骼,则“暴露”在身体表面,这层分节嵌合的坚硬外壳就是外骨骼(exoskeleton)。这个生物学名词,后来直接被拿来指代装在人身上的机电一体化装置。

简单来说,外骨骼是一种可穿戴机器人,能支撑和保护使用者的身体,是人体机能的补充;另外也能通过传感器“读懂”他们的动作意图,辅助甚至是放大使用者的动作,是对人体机能的增强。

比如,失去双腿的人穿戴下肢外骨骼能站立、行走;瘦弱的普通人穿戴外骨骼后,能扛起的重量胜过举重冠军。

外骨骼的技术研发始于上世纪 60 年代,代表项目是由美国国防部支持、通用电气和康奈尔大学执行的“Hardiman”。他们打造出了一款外骨骼原型机,用来帮军人搬抬重物:能将人的力量放大 25 倍,举 110 公斤的重物就像在拎起一大袋子苹果。



Hardiman 原型机|网络

这款 Hardiman 外骨骼的举重极限是 682 公斤,但它自身的重量也达到了 680 公斤。它是一套全身外骨骼,金属关节繁杂,足足有 28 个链接头,用液压和电力驱动,还配备了力觉反馈感应系统。这样一套庞然大物,每秒只能走 0.76 米。响应速度也无法保证,通常是肩关节能动了,胳膊肘操作不了了,顾此失彼。这对于军用场景来说,简直就是灾难,很多科研机构意识到时下技术的极限,就开始转向医疗康复场景,比如为截瘫患者设计站立用外骨骼,研发电力驱动假肢等等。

外骨骼不是某一个技术的“单兵作战”,是计算机技术、传感技术、人机协同、能源技术高度融合的造物。等到 2000 年,外骨骼所需要的技术都有了突破性的进展,从美国国防高级研究计划局(DARPA)资助的项目成果 BLEEX 来看,组件已经大幅微型化,更灵活,更智能。



BLEEX 外骨骼|Wevolver

同时,外骨骼也开始走出实验室,像 ReWalk、CYBERDYNE、Ekso Bionics 等代表公司陆续成立。外骨骼产品覆盖军事合作、医疗康复、灾场救助、工厂制造等场景。

一副外骨骼都有什么?

外骨骼像是一个依附在人身上的“生命”——它拥有一个非常完整的系统,能传感、控制、驱动,还有充当“大脑”的计算机,有模拟人骨骼的机械结构、模拟肌肉的致动器。

人们一般用电池、燃油和内燃机来驱动外骨骼机器人。现代的外骨骼,通常由传感、控制、驱动和机械系统精密集成。分布在各处的传感器实时采集人体的姿势、力量、运动趋势等信息,然后传到设备内置的电脑或控制中心,“大脑”开始分析,接着判断人体意图驱动外骨骼元件,一般通过电机和液压等方式带动机械产生相应动作。

以一位真实病患为例,去年 10 月,微博用户 @几木朵_ 拍了她借助外骨骼尝试行走的视频,引发热议。她自述十二年前被医生宣告终身瘫痪,那时只能依靠站立床辅助站立,直到去年开始试用下肢外骨骼,再次体验了久违的自主行走的感觉,“下来之后的我一直哭”。



微博用户 @几木朵_ 的微博

从视频中可以看到,除了紧贴大腿的机械关节,还有扶手和底部滑轮,后者可以支撑起她的身体,传感器会先判断她的发力方向和姿势,然后适应她开始最初迈步的动作。另外,这种用于康复训练的外骨骼,还提供了“约束训练”和“抵抗训练”等模式,前者是让患者跟着程序设定的步子走,逐渐加快幅度,后者是患者要逆着机器施加的阻力,进而锻炼到下肢,不断刺激运动神经。

据这位博主所说,这款外骨骼的价格是“十多万”。世界其他市场中,医疗康复类外骨骼的价格也普遍较高,CYBERDYNE 的 HAL 5 价格约 2 万美元,Ekso 的则超过 10 万美元。

成本居高不下,和外骨骼系统还没迎来革命性的设计突破有关。目前,外骨骼的结构依然繁重复杂,动力输出持续能力和产品体积正相关。也就是说,就目前的技术,还没办法做到更合理的小型化和轻量化,这对于人体来说,仍是不小的负担。



穿下肢外骨骼的小女孩|网络

“外骨骼最大的问题还是安全性,我认为成本、能源、材料等都会随着安全问题解决推向市场后,陆续得到解决或折中解决。而安全问题最关键的就是平衡问题和潜在的二次损伤。”一位五年博士课题都围绕康复外骨骼的研究人员在知乎上写道。

在运动赛事中发展

为了让外骨骼更轻、更小、更舒适,更安全,科学家们积极探索改进的路径。比如,加州理工和清华大学的研究者就从算法入手,2020 年,他们提出了一种叫“COSPAR”的算法,基于用户反馈更新模型,并用它来选择新试验的动作,并诱导反馈,最终帮患者找到他们偏爱的步态,提升舒适度。

还有研究者在试验非侵入式脑机接口获取用户的运动意图,等于说让外骨骼和人体产生更直接的交互;DARPA 在 2011 年启动“The Warrior Web”项目,指出柔性外骨骼更为轻便、舒服,与功能性服装结合的系统设计能够提升穿戴者的活动能力、活动质量和耐力等,延长持续穿戴时间。



DARPA 的“勇士织衣”|DARPA

除了科研,体育赛事也在推动外骨骼的进化。

你听说过 Marathon(马拉松),但不一定知道 Cybathlon(半机械人奥运会)。2016 年,Cybathlon 由苏黎世联邦理工学院发起,2016 年和 2020 年成功举办过两届竞赛。在 Cybathlon 上,残疾运动员可以使用机械义肢、脑机接口、外骨骼等外设参赛。2020 年,竞赛列出了六大项目,脑机接口比赛、功能性电刺激自行车赛、动力臂假肢赛、动力腿假肢赛、动力外骨骼设备赛和动力轮椅赛,所有任务都和残障人士的日常生活紧密相关,着力展现相关领域的研究进展。



Cybathlon|CGTN

选手需要完成像上台阶、做饭、玩电子游戏等动作,在最短时间内完成最多任务者将获胜。不同于残奥会主要考验人体本身的运动能力(选手被要求只能用市面上在售设备),Cybathlon 则强调追求科技创新,选手可以用最新研发的动力辅助装置。

Cybathlon 的发起人 Robert Riener 教授回忆起办赛的初衷:实验室开发的辅助技术非常先进,却不能及时用在普通残障人士身上,他们在日常中需要克服的困难太多了。他希望可以通过 Cybathlon 促进残疾人辅助系统的发展和学术交流,也让实验室和企业互相竞争和启发,从而“催生”出成本更低、技术更先进的义肢和外骨骼。

从这个角度上理解,奥运会、残奥会,和 Cybathlon,都是对人类极限的挑战。当看到选手用机械手装上一只灯泡,或从轮椅上站起迈出不寻常的一步,你也会备受鼓舞。