穿上外骨骼，人類的極限有多大？
從夢(mèng)想到現(xiàn)實(shí)，外骨骼機(jī)器人已走過(guò)百年，而今這個(gè)行業(yè)爆發(fā)在即
穿上外骨骼，人類的極限有多大？
■本報(bào)記者 沈湫莎
你能輕松舉起50公斤的重物嗎？你能舉臂500次而不感到疲勞嗎？你能和博爾特比一比腳力嗎？隨著電影《流浪地球2》的上映，賦予人類超力量的外骨骼機(jī)器人再度燃爆，人們對(duì)這種可穿戴設(shè)備的期待值又一次拉高。
事實(shí)上，在軍事、康復(fù)和工業(yè)等領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人已開(kāi)始投入應(yīng)用。距離上海市民最近的一次“科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)”或許就是三年前，上海街頭真的出現(xiàn)了身穿外骨骼的外賣(mài)小哥，他們背著重達(dá)百斤的外賣(mài)箱行走爬樓，身輕如燕。
從電影跳進(jìn)現(xiàn)實(shí)的“鋼鐵俠”炫酷而不遙遠(yuǎn)。2021年，日本外骨骼制造商innophys出貨量突破1.2萬(wàn)臺(tái)，而在五年前，這一數(shù)字僅為幾百臺(tái)。不久前，全球假肢行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)奧托伯格宣布進(jìn)軍外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域，似乎是這一市場(chǎng)即將爆發(fā)的信號(hào)。
在政策支持、資本助力、大廠入局等多重因素共同推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外骨骼機(jī)器人正步入商用發(fā)展的快車道，在這一充滿想象力的賽道上，已經(jīng)聚集了20多家企業(yè)。近日，記者探訪了幾家扎根上海的行業(yè)龍頭，他們大都已在這一領(lǐng)域默默深耕了近十年，在軟硬件方面都有拿得出手的產(chǎn)品。未來(lái)，當(dāng)人人都可擁有一副“外骨骼”時(shí)，相信會(huì)有不少中國(guó)品牌的身影。
外骨骼機(jī)器人發(fā)展至今，從夢(mèng)想到現(xiàn)實(shí)，已經(jīng)走過(guò)了百年，各種跡象表明，這個(gè)行業(yè)爆發(fā)在即。十年前，人們對(duì)外骨骼的終極想象就是“鋼鐵俠”，但隨著人工肌肉、腦機(jī)接口等技術(shù)的涌現(xiàn)，人類對(duì)它又有了更為科幻的聯(lián)想：或許它將如漫威電影里的黑豹裝甲一樣，讓人們無(wú)感裝備，如臂使指。
傲鯊智能
歷經(jīng)四次產(chǎn)品迭代，從修修補(bǔ)補(bǔ)到推倒重來(lái)
走進(jìn)位于上海財(cái)經(jīng)大學(xué)科技園內(nèi)的傲鯊智能，仰頭就是一張《流浪地球2》的巨幅海報(bào)，地面一隅放著一個(gè)磨損嚴(yán)重、上面寫(xiě)著“UEG”（地球聯(lián)合政府）的黑箱，里面是一副極具科技感的外骨骼。這便是《流浪地球2》電影拍攝現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)拍道具，也是這部國(guó)產(chǎn)科幻大片最硬核的周邊之一。
之所以說(shuō)它硬核，是因?yàn)檫@副“裝甲”并不是靠特效裝點(diǎn)的“花架子”，而是實(shí)實(shí)在在可以識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)、輸出助力的可用產(chǎn)品。2021年7月，《流浪地球2》項(xiàng)目組通過(guò)社交媒體找到傲鯊，希望他們?cè)趦扇齻�(gè)月內(nèi)做出一副符合電影需求的酷炫外骨骼。由于時(shí)間太緊，傲鯊干脆把公司展廳和實(shí)驗(yàn)室中未被訂走的設(shè)備，甚至是原型概念機(jī)都盡數(shù)運(yùn)至青島，共三個(gè)品種九臺(tái)機(jī)器人，提供給導(dǎo)演郭凡親自試用。
導(dǎo)演有需求，傲鯊有技術(shù)，一場(chǎng)科幻與科技的“雙向奔赴”由此展開(kāi)。最終，導(dǎo)演選中拍攝的是傲鯊智能研發(fā)的第三代產(chǎn)品，其負(fù)重6.6公斤，最大助力30公斤，最大助行速度達(dá)7.5千米/時(shí)，綜合減負(fù)60%以上。電影鏡頭之外，這些外骨骼還為拍攝現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和物資搬運(yùn)出了不少力。
傲鯊智能創(chuàng)始人徐振華前后經(jīng)歷了三次創(chuàng)業(yè)，雖然都在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域，但前兩次都是醫(yī)用康復(fù)機(jī)器人賽道。兩者有何不同？徐振華用一句話簡(jiǎn)單概括：“康復(fù)外骨骼是機(jī)器帶著人走，工業(yè)外骨骼是人帶著機(jī)器走。”
因?yàn)橐龉I(yè)外骨骼，徐振華摒棄了在醫(yī)用外骨骼上近十年的積累，一切從零開(kāi)始。在傲鯊內(nèi)部，有一種說(shuō)法叫作“芯片級(jí)研發(fā)”：除了芯片可以找供應(yīng)商外，其他的一切設(shè)計(jì)，包括電機(jī)、編碼器、減速箱、反饋單位等，全部自主研發(fā)。
減速箱是外骨骼機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的核心，作用是把電機(jī)的高轉(zhuǎn)速、低扭矩變成低轉(zhuǎn)速、高扭矩，具體多少轉(zhuǎn)速合適，需要根據(jù)外骨骼的實(shí)際情況。另外，其體積、重量、排布等都有講究，市場(chǎng)上現(xiàn)成的減速箱無(wú)法滿足這樣具體的要求。僅減速箱這一個(gè)器件，徐振華就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)“磨”了一年多。
“硬科技就是一點(diǎn)一點(diǎn)‘磨’出來(lái)的，不太有彎道超車的可能�！毙煺袢A說(shuō)，等完全貼合的組件“磨”出來(lái)后，企業(yè)就構(gòu)筑起了屬于自己的技術(shù)壁壘。事實(shí)證明，由傲鯊自主設(shè)計(jì)的減速箱不僅大大降低了成本，其軟件性能也提升了許多。
現(xiàn)在，傲鯊智能的外骨骼機(jī)器人已經(jīng)升級(jí)到第四代。如果說(shuō)前三代還是同一個(gè)設(shè)計(jì)思路下的“修修補(bǔ)補(bǔ)”，第四代就是又一次“推倒重來(lái)”。比如，前三代產(chǎn)品設(shè)計(jì)均將動(dòng)力系統(tǒng)集成在腰背部，第四代則采用離散式設(shè)計(jì)，像特斯拉汽車將電池分布式貼在汽車表面一樣，這套升級(jí)版外骨骼通過(guò)特殊的皮帶和齒輪傳導(dǎo)，將動(dòng)力系統(tǒng)分散在身體各個(gè)部位。
這樣做的好處顯而易見(jiàn)，更輕也更貼合人體結(jié)構(gòu)。傲鯊的第四代外骨骼比第三代減重約1公斤，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了密封性要求，防塵防水，可用于礦場(chǎng)和粉塵車間作業(yè)。
作為上海為數(shù)不多的工業(yè)類外骨骼公司，傲鯊智能很明顯感受到了市場(chǎng)的“春江水暖”。徐振華判斷，目前市場(chǎng)正處于爆發(fā)前夜。盡管受到疫情影響，傲鯊智能2022年的銷售額仍比2021年翻了倍，出貨量是2021年的2.7倍，其產(chǎn)品已經(jīng)在汽車、航空、電力、消防、銀行、港口、礦山等行業(yè)與豐富場(chǎng)景中應(yīng)用。對(duì)于未來(lái)，他們非常期待。
傅利葉智能
讓殘奧會(huì)冠軍重新站立，占據(jù)全球50%康復(fù)機(jī)器人市場(chǎng)
1998年的一場(chǎng)車禍，讓上海姑娘姚芳的脊椎受到嚴(yán)重?fù)p傷，腰部以下失去知覺(jué)，從此只能與輪椅相伴。時(shí)隔22年，當(dāng)這位倫敦殘奧會(huì)輪椅擊劍冠軍穿上康復(fù)助行外骨骼機(jī)器人后，她終于又可以直起腰桿，用自己的雙腿邁出平穩(wěn)的步伐。
為姚芳提供外骨骼設(shè)備的，正是來(lái)自張江的上海傅利葉智能科技有限公司。就在傅利葉創(chuàng)立的2015年前后，國(guó)內(nèi)醫(yī)用領(lǐng)域的外骨骼機(jī)械幾乎全部需從以色列、美國(guó)、瑞士等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口，單個(gè)設(shè)備重達(dá)數(shù)百公斤，單價(jià)近百萬(wàn)元。如今，傅利葉智能的產(chǎn)品已占據(jù)全球康復(fù)機(jī)器人50%以上的市場(chǎng)份額。
“輕量化、小型化、柔順化是每一代傅利葉產(chǎn)品進(jìn)化的方向�！惫臼紫瘓�(zhí)行官顧捷告訴記者，五年前，康復(fù)機(jī)器人還無(wú)法控制力道，如今它們不僅能精準(zhǔn)識(shí)別患者的肌力，其最新的下肢康復(fù)機(jī)器人M4，還可以配合人體重心自由浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更加自然柔順的節(jié)律性步態(tài)。而且，整臺(tái)設(shè)備自重不到20公斤，一名康復(fù)治療師就能幫助患者穿戴治療。
兩年前，傅利葉智能研發(fā)的下肢康復(fù)機(jī)器人、腕關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人、上下肢主被動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)等外骨骼產(chǎn)品，進(jìn)入全國(guó)數(shù)百家康復(fù)中心。在那里，患者可在護(hù)士的陪同下，進(jìn)行任務(wù)導(dǎo)向式的康復(fù)訓(xùn)練，康復(fù)治療由此變得更加量化和標(biāo)準(zhǔn)化。
在顧捷看來(lái)，中國(guó)的康復(fù)醫(yī)學(xué)才剛剛起步，未來(lái)五年會(huì)呈現(xiàn)高速發(fā)展。去年，傅利葉完成4億元的D輪融資，創(chuàng)下國(guó)內(nèi)康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域單輪融資額最高紀(jì)錄，這從一個(gè)側(cè)面反映出資本對(duì)于康復(fù)機(jī)器人的追捧和看好。
未來(lái)，患者除了去醫(yī)院或社區(qū)康復(fù)中心接受治療，外骨骼康復(fù)機(jī)器人走進(jìn)家庭也指日可待。顧捷透露，傅利葉正在研發(fā)多款生活輔助類外骨骼，可以為無(wú)法吃飯、喝水和行走的人士提供生活自理解決方案。
中電科機(jī)器人
“國(guó)家隊(duì)”敏銳布局，外骨骼“尖兵”助你彎腰抬腿
在2021年底舉行的第二十六屆中國(guó)（國(guó)際）小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)暨展覽會(huì)上，中國(guó)電科二十一所發(fā)布了一款名為“白虹”的外骨骼機(jī)器人，重量?jī)H3.6公斤，“國(guó)家隊(duì)”的到來(lái)讓外骨骼這一賽道愈發(fā)火熱。
“白虹”是一款髖關(guān)節(jié)綁縛式外骨骼，顧名思義，其動(dòng)力系統(tǒng)被放置在髖關(guān)節(jié)兩側(cè)。通過(guò)高性能控制算法，“白虹”能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，據(jù)此分析得到人體運(yùn)動(dòng)意圖，自動(dòng)跟隨使用者的腰部、腿部運(yùn)動(dòng)，為人體提供有效助力。
穿上這副裝備后，當(dāng)你剛要抬腿，這個(gè)“小助手”就能馬上提供助力幫你抬腿；當(dāng)你剛要彎腰起身，它也能敏銳覺(jué)察到你的動(dòng)作意圖，通過(guò)兩根固定綁帶將物體重力卸載到背部，達(dá)到一種手沒(méi)使力，東西已經(jīng)被提起來(lái)的效果。
業(yè)內(nèi)經(jīng)常用運(yùn)動(dòng)耗氧量來(lái)測(cè)算外骨骼機(jī)器人的助力效能。據(jù)測(cè)算，穿戴“白虹”后的心肺耗氧量比使用前降低36%，在不降低其他優(yōu)勢(shì)性能的同時(shí)，它還能夠?qū)崿F(xiàn)12千米/時(shí)的高速助跑。2022年初，“白虹”入選北京某消防器械代理公司采購(gòu)名單，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，這意味著在消防場(chǎng)景中，“鋼鐵俠”助陣已不是夢(mèng)。
早在2016年，中國(guó)電科二十一所就開(kāi)始布局外骨骼機(jī)器人方向。2019年，中電科機(jī)器人有限公司成立，外骨骼機(jī)器人與四足機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人一起，被確定為公司的三大主攻方向。如今，在二十一所的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，除髖關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人“白虹”外，還能看到膝關(guān)節(jié)、下肢負(fù)重、上肢助力等多種不同類型的外骨骼機(jī)器人，它們的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景各有不同。
膝關(guān)節(jié)外骨骼是一款為膝部發(fā)力提供助力的外骨骼機(jī)器人，它能減輕跑步、跳躍時(shí)膝蓋所承受的巨大重量和沖擊；下肢負(fù)重外骨骼是把整個(gè)下肢包裹在外骨骼中，它能將重力傳導(dǎo)到地面，特別適合需要承載超高負(fù)重的場(chǎng)景；上肢助力外骨骼則適用于汽車安裝、維修等需要長(zhǎng)時(shí)間維持舉手狀態(tài)的場(chǎng)景。
隨著外骨骼機(jī)器人的日趨輕量化和小型化，二十一所機(jī)器人工程中心副主任范春輝意識(shí)到市場(chǎng)“引爆在即”。比如，有多少人會(huì)將登山排除在旅游休閑的選項(xiàng)之外？未來(lái)，只要租一套外骨骼，人人都能享受登山的樂(lè)趣，“銀發(fā)一族”也不例外。
延伸閱讀
人類的外骨骼之夢(mèng)
外骨骼機(jī)器人是一種融合了控制、機(jī)械、生物、醫(yī)學(xué)、信息、電子等多種學(xué)科，為穿戴者提供助力行走及姿勢(shì)保持的可穿戴設(shè)備，主要可分為兩條技術(shù)路徑：增強(qiáng)型外骨骼用于幫助人類增強(qiáng)身體機(jī)能，康復(fù)型外骨骼用于幫助人體恢復(fù)肢體機(jī)能。
人類對(duì)擁有一副機(jī)械外骨骼的愿望由來(lái)已久。1890年，一位叫尼古拉斯·亞根的俄羅斯人發(fā)明了一種用壓縮空氣包為動(dòng)力的類外骨骼系統(tǒng)；1917年，美國(guó)發(fā)明家開(kāi)發(fā)了一種以蒸汽為動(dòng)力的外骨骼機(jī)器人；1970年，通用電氣公司設(shè)計(jì)的“強(qiáng)人”（Hardman）系統(tǒng)，包含了30多個(gè)關(guān)節(jié)，能舉起約700公斤的重物。
后來(lái)，麻省理工學(xué)院等一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)這些裝置進(jìn)行了研究，并為這類裝置起了個(gè)形象的名稱“人體外骨骼”或者“外骨骼機(jī)器人”。
（責(zé)任編輯：歐云海）
