穿上外骨骼，人類的極限有多大？
從夢想到現(xiàn)實，外骨骼機器人已走過百年，而今這個行業(yè)爆發(fā)在即
穿上外骨骼，人類的極限有多大？
■本報記者 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器人再度燃爆，人們對這種可穿戴設備的期待值又一次拉高。
事實上，在軍事、康復和工業(yè)等領域，外骨骼機器人已開始投入應用。距離上海市民最近的一次“科幻走進現(xiàn)實”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小哥，他們背著重達百斤的外賣箱行走爬樓，身輕如燕。
從電影跳進現(xiàn)實的“鋼鐵俠”炫酷而不遙遠。2021年，日本外骨骼制造商innophys出貨量突破1.2萬臺，而在五年前，這一數(shù)字僅為幾百臺。不久前，全球假肢行業(yè)領軍企業(yè)奧托伯格宣布進軍外骨骼機器人領域，似乎是這一市場即將爆發(fā)的信號。
在政策支持、資本助力、大廠入局等多重因素共同推動下，國內外骨骼機器人正步入商用發(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域默默深耕了近十年，在軟硬件方面都有拿得出手的產品。未來，當人人都可擁有一副“外骨骼”時，相信會有不少中國品牌的身影。
外骨骼機器人發(fā)展至今，從夢想到現(xiàn)實，已經(jīng)走過了百年，各種跡象表明，這個行業(yè)爆發(fā)在即。十年前，人們對外骨骼的終極想象就是“鋼鐵俠”，但隨著人工肌肉、腦機接口等技術的涌現(xiàn)，人類對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，讓人們無感裝備，如臂使指。
傲鯊智能
歷經(jīng)四次產品迭代，從修修補補到推倒重來
走進位于上海財經(jīng)大學科技園內的傲鯊智能，仰頭就是一張《流浪地球2》的巨幅海報，地面一隅放著一個磨損嚴重、上面寫著“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)場的實拍道具，也是這部國產科幻大片最硬核的周邊之一。
之所以說它硬核，是因為這副“裝甲”并不是靠特效裝點的“花架子”，而是實實在在可以識別人體運動信號、輸出助力的可用產品。2021年7月，《流浪地球2》項目組通過社交媒體找到傲鯊，希望他們在兩三個月內做出一副符合電影需求的酷炫外骨骼。由于時間太緊，傲鯊干脆把公司展廳和實驗室中未被訂走的設備，甚至是原型概念機都盡數(shù)運至青島，共三個品種九臺機器人，提供給導演郭凡親自試用。
導演有需求，傲鯊有技術，一場科幻與科技的“雙向奔赴”由此展開。最終，導演選中拍攝的是傲鯊智能研發(fā)的第三代產品，其負重6.6公斤，最大助力30公斤，最大助行速度達7.5千米/時，綜合減負60%以上。電影鏡頭之外，這些外骨骼還為拍攝現(xiàn)場的設備和物資搬運出了不少力。
傲鯊智能創(chuàng)始人徐振華前后經(jīng)歷了三次創(chuàng)業(yè)，雖然都在外骨骼機器人領域，但前兩次都是醫(yī)用康復機器人賽道。兩者有何不同？徐振華用一句話簡單概括：“康復外骨骼是機器帶著人走，工業(yè)外骨骼是人帶著機器走。”
因為要做工業(yè)外骨骼，徐振華摒棄了在醫(yī)用外骨骼上近十年的積累，一切從零開始。在傲鯊內部，有一種說法叫作“芯片級研發(fā)”：除了芯片可以找供應商外，其他的一切設計，包括電機、編碼器、減速箱、反饋單位等，全部自主研發(fā)。
減速箱是外骨骼機器人動力系統(tǒng)的核心，作用是把電機的高轉速、低扭矩變成低轉速、高扭矩，具體多少轉速合適，需要根據(jù)外骨骼的實際情況。另外，其體積、重量、排布等都有講究，市場上現(xiàn)成的減速箱無法滿足這樣具體的要求。僅減速箱這一個器件，徐振華就帶領團隊“磨”了一年多。
“硬科技就是一點一點‘磨’出來的，不太有彎道超車的可能�！毙煺袢A說，等完全貼合的組件“磨”出來后，企業(yè)就構筑起了屬于自己的技術壁壘。事實證明，由傲鯊自主設計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器人已經(jīng)升級到第四代。如果說前三代還是同一個設計思路下的“修修補補”，第四代就是又一次“推倒重來”。比如，前三代產品設計均將動力系統(tǒng)集成在腰背部，第四代則采用離散式設計，像特斯拉汽車將電池分布式貼在汽車表面一樣，這套升級版外骨骼通過特殊的皮帶和齒輪傳導，將動力系統(tǒng)分散在身體各個部位。
這樣做的好處顯而易見，更輕也更貼合人體結構。傲鯊的第四代外骨骼比第三代減重約1公斤，同時還實現(xiàn)了密封性要求，防塵防水，可用于礦場和粉塵車間作業(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的“春江水暖”。徐振華判斷，目前市場正處于爆發(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)與豐富場景中應用。對于未來，他們非常期待。
傅利葉智能
讓殘奧會冠軍重新站立，占據(jù)全球50%康復機器人市場
1998年的一場車禍，讓上海姑娘姚芳的脊椎受到嚴重損傷，腰部以下失去知覺，從此只能與輪椅相伴。時隔22年，當這位倫敦殘奧會輪椅擊劍冠軍穿上康復助行外骨骼機器人后，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備的，正是來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，國內醫(yī)用領域的外骨骼機械幾乎全部需從以色列、美國、瑞士等發(fā)達國家進口，單個設備重達數(shù)百公斤，單價近百萬元。如今，傅利葉智能的產品已占據(jù)全球康復機器人50%以上的市場份額。
“輕量化、小型化、柔順化是每一代傅利葉產品進化的方向�！惫臼紫瘓�(zhí)行官顧捷告訴記者，五年前，康復機器人還無法控制力道，如今它們不僅能精準識別患者的肌力，其最新的下肢康復機器人M4，還可以配合人體重心自由浮動，實現(xiàn)更加自然柔順的節(jié)律性步態(tài)。而且，整臺設備自重不到20公斤，一名康復治療師就能幫助患者穿戴治療。
兩年前，傅利葉智能研發(fā)的下肢康復機器人、腕關節(jié)和踝關節(jié)康復機器人、上下肢主被動訓練系統(tǒng)等外骨骼產品，進入全國數(shù)百家康復中心。在那里，患者可在護士的陪同下，進行任務導向式的康復訓練，康復治療由此變得更加量化和標準化。
在顧捷看來，中國的康復醫(yī)學才剛剛起步，未來五年會呈現(xiàn)高速發(fā)展。去年，傅利葉完成4億元的D輪融資，創(chuàng)下國內康復機器人領域單輪融資額最高紀錄，這從一個側面反映出資本對于康復機器人的追捧和看好。
未來，患者除了去醫(yī)院或社區(qū)康復中心接受治療，外骨骼康復機器人走進家庭也指日可待。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。
中電科機器人
“國家隊”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（國際）小電機技術研討會暨展覽會上，中國電科二十一所發(fā)布了一款名為“白虹”的外骨骼機器人，重量僅3.6公斤，“國家隊”的到來讓外骨骼這一賽道愈發(fā)火熱。
“白虹”是一款髖關節(jié)綁縛式外骨骼，顧名思義，其動力系統(tǒng)被放置在髖關節(jié)兩側。通過高性能控制算法，“白虹”能夠實時檢測人體運動狀態(tài)，據(jù)此分析得到人體運動意圖，自動跟隨使用者的腰部、腿部運動，為人體提供有效助力。
穿上這副裝備后，當你剛要抬腿，這個“小助手”就能馬上提供助力幫你抬腿；當你剛要彎腰起身，它也能敏銳覺察到你的動作意圖，通過兩根固定綁帶將物體重力卸載到背部，達到一種手沒使力，東西已經(jīng)被提起來的效果。
業(yè)內經(jīng)常用運動耗氧量來測算外骨骼機器人的助力效能。據(jù)測算，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)勢性能的同時，它還能夠實現(xiàn)12千米/時的高速助跑。2022年初，“白虹”入選北京某消防器械代理公司采購名單，實現(xiàn)了產品化，這意味著在消防場景中，“鋼鐵俠”助陣已不是夢。
早在2016年，中國電科二十一所就開始布局外骨骼機器人方向。2019年，中電科機器人有限公司成立，外骨骼機器人與四足機器人、協(xié)作機器人一起，被確定為公司的三大主攻方向。如今，在二十一所的機器人實驗室，除髖關節(jié)外骨骼機器人“白虹”外，還能看到膝關節(jié)、下肢負重、上肢助力等多種不同類型的外骨骼機器人，它們的特點和適用場景各有不同。
膝關節(jié)外骨骼是一款為膝部發(fā)力提供助力的外骨骼機器人，它能減輕跑步、跳躍時膝蓋所承受的巨大重量和沖擊；下肢負重外骨骼是把整個下肢包裹在外骨骼中，它能將重力傳導到地面，特別適合需要承載超高負重的場景；上肢助力外骨骼則適用于汽車安裝、維修等需要長時間維持舉手狀態(tài)的場景。
隨著外骨骼機器人的日趨輕量化和小型化，二十一所機器人工程中心副主任范春輝意識到市場“引爆在即”。比如，有多少人會將登山排除在旅游休閑的選項之外？未來，只要租一套外骨骼，人人都能享受登山的樂趣，“銀發(fā)一族”也不例外。
延伸閱讀
人類的外骨骼之夢
外骨骼機器人是一種融合了控制、機械、生物、醫(yī)學、信息、電子等多種學科，為穿戴者提供助力行走及姿勢保持的可穿戴設備，主要可分為兩條技術路徑：增強型外骨骼用于幫助人類增強身體機能，康復型外骨骼用于幫助人體恢復肢體機能。
人類對擁有一副機械外骨骼的愿望由來已久。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力的類外骨骼系統(tǒng)；1917年，美國發(fā)明家開發(fā)了一種以蒸汽為動力的外骨骼機器人；1970年，通用電氣公司設計的“強人”（Hardman）系統(tǒng)，包含了30多個關節(jié)，能舉起約700公斤的重物。
后來，麻省理工學院等一些研究機構對這些裝置進行了研究，并為這類裝置起了個形象的名稱“人體外骨骼”或者“外骨骼機器人”。
（責任編輯：歐云海）
