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“穿”在身上的(de)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，参观者体验外骨骼机器人协助搬运(bānyùn)重物(zhòngwù)。新华社发 以色列(yǐsèliè)一家公司研发的ReWalk系列外骨骼机器人。供图：阳明 近日，以色列一家公司宣布，其最新研发(yánfā)的外骨骼机器人(jīqìrén)——ReWalk7即将上市。据悉，凭借创新的技术设计，这款(kuǎn)医用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)(de)朋友，一定对《钢铁侠》《流浪地球》中的机甲战士印象(yìnxiàng)深刻。如今，这种科幻构想(gòuxiǎng)已从银幕跃入现实(xiànshí)，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“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？它有哪些应用场景？又面临哪些机遇与挑战(tiǎozhàn)？请看本期(běnqī)解读。 “钢铁侠”的百年(bǎinián)历程 一般而言，外骨骼机器人是指一种可穿戴于人体外部的智能机械装置。该装置通过将(jiāng)人体的感觉(gǎnjué)、思维和运动等(děng)与机器的传感系统、智能处理中心及控制执行系统相结合，达到改善(gǎishàn)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，俄罗斯发明家尼古拉·亚格恩首次提出将(jiāng)无源机械结构“穿”在人体上增强运动能力的构想(gòuxiǎng)。 后来(hòulái)随着蒸汽机与内燃机技术的发展，人们开始渴望用(yòng)外部能源为“外骨骼”装甲注入新动力。 1917年，美国发明家莱斯利·凯利设计(shèjì)了一部名为(míngwèi)“Pedomotor”的步动(bùdòng)辅助(fǔzhù)装置。该装置由蒸汽驱动，奠定了现代动力外骨骼的研发基础。不过，在实际使用(shǐyòng)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”僵硬的关节与粗糙的动力学设计，使其难以(nányǐ)随人体运动完成复杂的结构变形，最终无奈搁浅。 外骨骼机器人的第一次重大突破(zhòngdàtūpò)发生在1967年。 这一年，美国通用电气公司研制的(de)(de)“Hardiman”外骨骼机器人原型机横空出世。这款原型机采用半仿生(fǎngshēng)构型设计，通过(tōngguò)液压驱动使该机器人具备30个(gè)关节自由度，能(néng)辅助普通人轻松举起一百多公斤重的物体。然而，“Hardiman”680公斤的自重、迟缓的动作节奏和(hé)惊人的能耗，严重限制了该机器人项目的落地。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，随着材料科学、传感器(chuángǎnqì)技术和控制算法的飞速发展，外骨骼机器人踏上了蜕变(tuìbiàn)为人类“第二层皮肤”的崭新阶段。 在医疗康复领域，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(rìběn)东京筑波大学的实验室里，银白色(yínbáisè)的HAL外骨骼机器人捕捉使用者的肌电信号(diànxìnhào)，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(bǔcháng)和人体工程学设计，外骨骼(wàigǔgé)机器人(jīqìrén)正在为生产制造一线的工人卸下重负。以(yǐ)德国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，兼具轻量化和耐用性的特点。另外，其搭载的智能传感器系统可实时监测工人的动作姿态(zītài)和受力情况，动态调整外骨骼机器人的支撑力度，有效减轻工人的肌肉疲劳(jīròupíláo)和关节(guānjié)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。 在军事装备的创新浪潮中(zhōng)，外骨骼机器人的引入，为提升单兵作战(dānbīngzuòzhàn)能力开辟了新的途径。 例如(lìrú)，美国伯克利(bókèlì)仿生科技公司研发的“人体负重外骨骼”，不仅(bùjǐn)结构轻巧，负重能力也超过100千克。穿戴(chuāndài)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等高难度战术动作。此外，该系统能显著降低人体对氧气的消耗，大幅提升单兵(dānbīng)的持续作战和战场机动能力。 “外骨骼”的构型图谱(túpǔ) 作为人机协同技术的重要载体，外骨骼机器人(jīqìrén)的分类体系可依据多维度的技术特征与应用场景(chǎngjǐng)进行构建。 从特定部位来看，外骨骼机器人可(kě)分为上肢、下肢和全身三大类型。 上肢外骨骼机器人类似于给手臂和肩部披上“机械肌肉”，助力使用者(shǐyòngzhě)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(bùwèi)的(de)(de)支撑，其自适应支撑结构既能为(wèi)负重登高的消防员构建动态平衡支点(zhīdiǎn)，也能通过仿生(fǎngshēng)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，将机械框架与人体的生物力学耦合，能支持特定部位的功能强化，提升使用者整体运动能力。 从(cóng)结构设计来看，外骨骼机器人可分为刚性和柔性两类。 刚性外骨骼机器人(jīqìrén)由金属、塑料、碳纤维等硬质材料(cáiliào)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，它的“硬派”风格也(yě)带来了穿戴上的局限——关节(guānjié)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(jīqìrén)则如同一件能提供动力的“衣服”，通常采用轻质、耐用的功能性纺织品制成(zhìchéng)。哈佛实验室(shíyànshì)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，为行走注入了更自然的步态辅助(fǔzhù)。 从应用领域(yìngyònglǐngyù)来看，外骨骼机器人主要分为(fēnwéi)增强类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(gāoxiào)的动力单元(dānyuán)，“无缝衔接”使用者(shǐyòngzhě)的动作意图，为关键部位提供精准的力量补充。这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则更(gèng)像一位“复健教练”，主要适用于脑卒中、脑损伤和脊髓损伤等患有神经系统疾病的患者，帮助他们(tāmen)重拾肢体运动能力(nénglì)。 从能源驱动方式来看，外骨骼机器人(jīqìrén)又可分为主动式和被动式两类。 主动式外骨骼机器人由外部源(yuán)直接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，配合高精度的传感器(chuángǎnqì)和智能控制算法，不仅能补偿因(yīn)体力不足或伤病(shāngbìng)造成的肌力缺失，还(hái)能增强健康使用者的力量和耐力。 相比之下，被动式外骨骼机器人没有额外电源，运作(yùnzuò)过程完全依赖使用者(shǐyòngzhě)的运动行为。这类(lèi)设备通过巧妙(qiǎomiào)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”的能量回收与利用，进而让行走变得更轻松。 从20世纪60年代美国首次提出“外骨骼机器人(jīqìrén)”的概念至今(zhìjīn)，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(shàng)已推出(tuīchū)多型外骨骼机器人装备，但外骨骼机器人离批量投入市场使用还有一定距离。究其原因，外骨骼机器人技术发展(fāzhǎn)仍面临诸多关键挑战： ——成本高昂，普及受限(shòuxiàn)。作为智能穿戴技术的“天花板”，外骨骼机器人集成了多种微型传感器、驱动器、电脑及其(jíqí)外围电路和复杂的控制算法。这种高度(gāodù)集成与复杂性也伴随着高昂的元器件成本。 此外，为了追求(zhuīqiú)轻量化、提高穿戴舒适性(shūshìxìng)，外骨骼机器人往往选用昂贵的钛合金、硬铝合金(lǚhéjīn)等高强度轻质材料，这些材料的运用也让外骨骼机器人的身价水涨船高。 目前，一套基础版下肢(xiàzhī)康复外骨骼机器人的售价高达4.5万至8万美元，远超普通患者的承受能力(chéngshòunénglì)；应用于军事和工业领域的全身负重外骨骼机器人，价格更是令许多潜在使用者望而却步。这种(zhèzhǒng)“高精尖”与“高成本”的门槛，成为外骨骼机器人技术(jìshù)普及路上的一道(yīdào)“天堑”。 ——结构笨重，舒适欠佳。外骨骼(wàigǔgé)机器人的骨架通常由金属连杆构成，采用刚性结构设计，这导致其体积较大且有(yǒu)较大重量。通常，一套(yītào)下肢外骨骼机器人的重量有10至30公斤。 此外，使用者(zhě)穿戴下肢外骨骼机器人时，需要(xūyào)使用多层绑缚带将金属框架与人体腰、腿(tuǐ)等部位多点锚定。这种刚性结构的设计带来了(le)显著的问题(wèntí)：当使用者迈步时，外骨骼机器人的传动杆件(gānjiàn)与生物肢体形成机械与人体的双轨运动系统——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，只能改变原有的行走习惯。 同时，人体髋膝踝关节原本是具备6个自由度的(de)精密球铰(jiǎo)系统，而传统(chuántǒng)外骨骼机器人的旋转关节往往被简化为单轴铰链结构。这种(zhèzhǒng)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。这犹如将精密齿轮组与简单铰链强行啮合(nièhé)，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(shì)制约其广泛应用的关键瓶颈(píngjǐng)之一。受限于当前电池技术的能量密度以及自身的重量负担，大多数外骨骼机器人系统陷入了“充电两小时，工作一刻钟”的尴尬境地。 以美国(měiguó)伯克利大学研发的(de)(de)BLEEX外骨骼机器人为例，尽管设计先进，但在背负30余公斤物品行走的情况下，“BLEEX”能量储备仅能维持自身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，但自带的电池却只能持续供能40分钟。续航能力的不足，束缚了(le)外骨骼机器人迈向军事、医疗(yīliáo)和工业(gōngyè)等领域的广阔应用天地。 因此，在突破续航瓶颈(píngjǐng)的科技攻坚中，能量存储与分配系统(xìtǒng)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。 尽管面临成本、舒适性与(yǔ)续航(xùháng)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外骨骼机器人技术描绘出了清晰(qīngxī)的发展路径——更轻薄的骨架将取代传统框架；固态(gùtài)电池与无线充电技术正在(zhèngzài)改写续航规则(guīzé)；AI深度学习算法赋予的“预判式辅助”将使机械运动如臂使指。到那时，这场始于19世纪末的机械狂想，终将实现它的“承诺”：让科技进步延伸(yánshēn)至人类的肢体，为社会发展带来更多便利。 （来源(láiyuán)：中国军网-解放军报）