外骨骼机器人是赛博朋克的关键元素，随着AI、传感、自动化等技术的进步，外骨骼机器人产业如今已初具规模并成为一级市场的投资热点。迈步机器人、傅利叶智能、大艾机器人等专注于外骨骼机器人的公司已获得多笔高额融资，这些公司的产品也在一些特殊领域得以应用。
本文来自微信公众号：果壳硬科技（ID：guokr233），作者：biu，编辑：卧虫，头图来自：IC photo，原文标题：《让一部分人先成为赛博格》
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。
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他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。
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 样机
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。
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”。
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。
“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。
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。
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。
References
[1] Energy dressing: exoskeletons on the job https://sportnews.blogdady.com/energy-dressing-exoskeletons-on-the-job/
[2] Cybathlon: World's first 'bionic Olympics' gears up https://www.bbc.com/news/technology-37196860
[3] Warrior web closer to making its performance-improving suit a reality https://phys.org/news/2013-08-warrior-web-closer-performance-improving-reality.html
[4] 外骨骼机器人未来走向哪？https://mp.weixin.qq.com/s/LHmLkmlBEu9LUkji_1xT6w
[5] 借助外骨骼传递火炬！刚刚，冬残奥会火炬来到冬奥组委驻地 https://www.takefoto.cn/news/2022/03/04/10050159.shtml
[6] 知乎用户 Simpleway 在“为什么机械外骨骼还没起步就衰落了？”问题下的回答 https://www.zhihu.com/question/304939541/answer/809791972
本文来自微信公众号：果壳硬科技（ID：guokr233），作者：biu