无传感器步行 外骨骼让“钢铁侠”成现实：残障人士可行走

外骨骼让“钢铁侠”成现实：残障人士可行走

国际先驱导报4月26日报道 根据一项突破性的研究，在胸部以下瘫痪了6年后，一名美国男子近日能够用右手搅拌咖啡和刷信用卡了。这是计算机软件创造的前所未有的壮举。计算机软件替代了受损的脊髓，在扬·伯克哈特的大脑与手部肌肉之间充当通信“高速公路”。

其实，瘫痪者再次具备运动能力已不再是新闻。帅气的腿甲，强劲的机械动力，穿上它任何人都能健步如飞……这不是科幻电影中斯塔克工业打造的钢铁侠盔甲，而是最新面市的一款可穿戴设备——机械外骨骼。随着技术不断完善，普通人穿上钢铁侠一般的神奇盔甲“开外挂”，已不再是异想天开。

有媒体预测，外骨骼时代已经到来——不久的将来，越来越多现实版的钢铁侠将在我们身边出现。不过他们很可能并非上天入海的超级英雄装甲，而是更具现实意义的能力——让年老体衰行动不便的老人重新获得自由行走的能力，让饱受瘫痪之苦、受困于轮椅的病人站起来，帮助体力劳动者更轻松地完成负重工作。

外骨骼逐步智能化

机械外骨骼是指能穿在人身上，给人提供保护、额外的动力或能力，增强人体机能的机械装置。

1963年，美国漫威漫画公司出品的漫画中“钢铁侠”正式出场：腰缠万贯的工业大亨托尼·斯塔克遭阴谋绑架，身受重伤生命垂危的他却暗中制造了一套高科技盔甲，保护自己逃生，从此变身“钢铁侠”保卫地球……

事实上，漫画界打造的这位超级英雄在当时已不算超前。因为早在1960年，通用电气公司与美国军队就已联合开发了一款真正意义上的外骨骼动力服Hardiman。穿上它后举起150公斤的物体就像举起6公斤的物体一样轻松。不过问题在于，这套外骨骼本身的重量就有680公斤，而且系统反应速度极慢，穿上它每秒只能走76厘米，只有平常人正常步速的一半。机动性的短板使得它从未上过战场风光，只能留在军方的仓库里积灰。

在经历了早期的笨重不堪之后，外骨骼在上世纪80年代进入快速发展阶段。近年来，各国智能外骨骼设备不断问世：美国的“勇士织衣”、法国的“大力神”、俄罗斯的“士兵-21”、中国的认知外骨骼机器人……这些技术结合了机械电子、控制、生物、传感、信息融合、新材料等，新型的外骨骼不仅更轻更快，而且将智能技术融合于一身，成为越来越接近人类自身器官的可穿戴设备，不过其中大部分产品都仍未走出实验室，还没有一种在战场上投入测试。

和许多前沿科技产品的发展轨迹一样，机械外骨骼沿袭了从军用到民用的路线，当军用产品迟迟未成熟结果时，民用版本早已开枝散叶。

让瘫痪的人重新运动起来

外骨骼由可穿戴外骨骼关节，一系列传感器和控制系统构成，为膝盖和臀部运动提供力量支撑。简单地形容，这就相当于能读懂你身体意向的“智能机械腿”。其利用用户自身重心的微妙变化来控制运动，系统能够通过检测重心位置的细微变化，模仿使用者习惯的自然步伐，并以电池驱动机械关节，模仿使用者习惯的自然步伐。如上半身向前倾斜时，迈出第一步。重复的身体转移产生的一系列步骤允许用户以自然步态行走，让使用者感觉自己像在使用正常的肢体一样。其最快行动速度甚至达到了2.6公里/小时。仅比普通人步行的速度稍慢。

对于行动不便，下肢瘫痪的残障人士而言，他们只需要穿上外骨骼装备，就能摆脱轮椅，长距离行走，甚至上下楼梯，起身坐下。

依靠机械外骨骼系统，瘫痪者甚至能参加长跑比赛。除此之外，使用者可以利用机械外骨骼设备达成所需的运动量，改善新陈代谢和肠胃功能，防止心脏病和骨质疏松等并发症的产生。

外骨骼不仅让患者重新站起来，还能帮助更多残障人士完成不少原本不可想象的任务。2012年，下身瘫痪的英国前赛马女选手克莱尔·罗曼斯穿上外骨骼，骄傲地跑完伦敦马拉松比赛全程。2013年春，美国总统奥巴马访问耶路撒冷期间，一位因患病而瘫痪的60岁前美国军士特蕾莎·汉尼根在向他展示了外骨骼能帮助自己多么灵巧地行走。

各国都在加紧研发

目前，市场上能见到的外骨骼品牌不算多。以色列的外骨骼ReWalk是目前第一个通过美国食品和药物管理局的批准，也是至今唯一取得这项批准的个人用机械外骨骼系统；能跟ReWalk争夺市场的是拥有美国国防部背景的公司Ekso推出的机械骨骼Ekso Bionics GT，重23千克，采用了铝钛合金材质，具备电动马达及陀螺仪、弹道等先进传感器打造。

该装置背部装有一个智能计算装置，可以根据使用者的行走方式和属性进行统计计算，有预先设定好的几种模式：站立、行走、练习、多方向移动模式等。进行一段时间的训练后，这个设备就可以完全模拟使用者的行走方式来进行助力行走。

除了医学用途，Ekso的研究人员还在测试一款为建筑和工业领域的工人而设计制造的仿生学外骨骼，能使得普通人借助机械力量轻而易举搬动重物。

日本最著名的机械外骨骼制造商名为Cyberdyne，其推出的机器人外骨骼HAL套装中的传感器能监测人体大脑传递给肌肉的电信号，从而预见和支持人体的行动。首部HAL整体重量不足25公斤，正是因为材料密度和硬度的不足，和军用标准相距甚远的它自问世起便着重被应用于民用负重及医疗领域，帮助年老残障伤患者康复或自由行动。

在外骨骼技术领域，我国也一直紧跟国际发展步伐。目前国产第二代认知外骨骼机器人（EXOP-2）正在研制中。该项目由中国科学院常州先进所科研项目办公室主导。已研制成功的第一代认知外骨骼机器人（EXOP-1）属于助力负重型的机器人，能承受负重70公斤，其中助力功预计达到70%以上，可以运用于消防救火，帮助消防员负重灭火，搬运物资。认知外骨骼机器人的先进性主要体现在意念驱动和电机助力上。当穿戴者要做某个动作时，运动趋势信号会被传感器反应到对应肌肉，再传达给控制器和驱动器。系统通过检测人体压力和姿态变化，解读运动意图，实现与人体一致的行动。

可以想象，在不远的未来，在工业、医疗、军事领域将成为各国的机械外骨骼的实战竞技场。

没有GPS的行走机器人，也能自行“回家”了

AntBot是首款不依赖GPS就能随机探索周围环境并自行返回的行走机器人。

沙漠蚂蚁是沙漠中非凡的旅行者。《科学机器人》杂志2月13日发文称，研究人员受沙漠蚂蚁启发，开发了一种仿生行走机器人“AntBot”。这是首款无需安装GPS或内置地图就能随机探索周围环境并自行“回家”的行走机器人。AntBot的诞生或将为自动驾驶汽车和自主机器人的导航设计提供新思路。

人类的眼睛对偏振光和紫外线不敏感，但蚂蚁却恰好相反，它们可以利用偏振光进行空间定位、其中的佼佼者——沙漠蚂蚁可以在直射的阳光下于沙漠中行走数百米去寻找食物，然后直线返回蚁穴而不会迷路。沙漠蚂蚁并不使用信息素，当温度稍有下降时，它们就会出来活动。沙漠蚂蚁独特的导航能力主要依赖于以下两个步骤：首先，蚂蚁利用天空中的偏振光作为“天体指南针”，标示出方向；接着，它们通过简单的计步以及自身运动速度相对于太阳光的数值来计算步行的距离。对于空间定位而言，距离和方向是两个基本的信息片段，将两者结合在一起，蚂蚁就能顺利返回蚁穴中。

法国国家研究中心(CNRS)和马赛大学(Aix-Marseille University)的研究人员共同设计了AntBot。它配备有一个光学罗盘，用于利用偏振光确定方向。AntBot还配备有一个指向太阳的光学运动传感器，用于测算行走的距离。有了这两件“武器”，AntBot就能够像沙漠蚂蚁一样，自行探索周围的环境。目前，AntBot已经能够完成约14米的旅程，并能以高达1厘米的精度返回基地。AntBot的质量仅2.3千克，灵活的六足可保证机器人在复杂环境中的运动能力。这使得AntBot较轮式机器人和无人机更适应复杂情况(灾区、崎岖的地形等)下的探索任务。

AntBot加装的光学罗盘对天空中的偏振紫外线辐射很敏感，在晴朗或多云天气条件下，其导向精度为0.4度。极简的运动传感器也让AntBot如虎添翼。研究人员认为，在将AntBot这类机器人用于航空机器人或汽车工业之前，必须在夜间和长距离操作等方面取得更大进展。

编译：雷鑫宇 审稿：alone 责编：唐林芳

期刊来源：《科学机器人》

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190213142705.htm

中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。

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