十年后你会穿上外骨骼吗？这项技术或将改变我们的行动方式

十年后你会穿上外骨骼吗？这项可能改变我们行动方式的技术 | Nature

多种外骨骼正在进入消费市场，其中包括中国上海公司 Hypershell 销售的产品。图片来源：Hypershell

Daniel Ferris 说，最好的外骨骼是那种让你忘记它存在的外骨骼。当这位生物力学工程师穿上外骨骼时，他只感觉到轻微的牵拉感。但取下设备后，他会突然觉得仿佛在艰难地爬坡。

Ferris 数十年来一直在设计可穿戴外骨骼和动力假肢，长期以来一直认为它们很快会成为日常生活的一部分。2009 年，他发表了一项预测¹，称"到 2024 年，人们将穿着机器人外骨骼走在街上、商场里，并穿着它们回家"。Ferris 承认自己当时"操之过急"，但他的愿景正越来越接近现实。在他做出这一预测时，外骨骼主要用于临床环境，帮助脊髓损伤或中风后的人进行康复。"外骨骼当时真正的定位是：功能丧失了，我们需要替代这个功能，"澳大利亚布里斯班昆士兰大学的神经肌肉生物力学家 Taylor Dick 说。

如今，研究人员和企业越来越多地谈论"增强"：为动作提供所需力量的一部分。动力支架可以减轻关节炎膝关节的部分负荷，机器人短裤可以让老年人的日常步行不那么疲惫。其他外骨骼设备则面向广泛的用户群体，包括希望走得更远、更快的年轻人。去年 10 月，Nike 发布了一款名为 Project Amplify 的"动力鞋"原型系统，面向日常运动爱好者；而在中国，游客可以在游览长城的崎岖路段时租用外骨骼。

对于外骨骼的支持者来说，这种增强技术来得越快越好。包括日本、中国和意大利在内的许多国家正在迅速老龄化，据世界卫生组织预测，到 2050 年，全球 60 岁及以上人口将达到 21 亿。但在外骨骼进入大众市场之前，研究人员需要解决几个技术问题。这些设备需要变得更智能、更轻、更便宜，并且更容易适配可能使用它们的各类人群。还有一个需要克服的担忧：如果机器让走路或跑步变得更轻松，人们会因此动得更多、变得更健康——还是他们的身体会依赖机器，导致肌肉萎缩？

从替代到辅助

对于当今的外骨骼开发者来说，设备提供的辅助越少越好。旧式设备更倾向于钢铁侠那种超级力量战衣的风格，而新系统会估算穿戴者产生的力量，只提供所需力量的一部分。这种方法保留了穿戴者的控制权，降低了机器必须输出的功率，还能让设备在关闭时不那么拖累人。

过去几年，多个团队报告了在开发能够支持更真实动作的设备方面取得的进展。亚特兰大佐治亚理工学院的研究人员设计的一种控制框架，利用人工智能系统实时估算髋关节在各种步行速度、坡度和楼梯高度下的运动。该系统使测试者能够减少步行时的体力消耗²。其中部分研究人员及其他同事将这一原理扩展到一个更灵活的系统，允许用户在不同类型的动作之间不可预测地切换³。

密歇根大学安娜堡分校的机器人学家 Robert Gregg 正在对膝关节采用类似的方法，他领导着一个 200 万美元的项目，将电动矫形支架改造为能够减少通过关节的力量的设备。在一项四人的试点研究中，参与者报告称，在从椅子上站起来和爬楼梯等活动中使用这些设备时疼痛有所减轻。

最新的机器采用研究人员所称的"任务无关控制"（task-agnostic control）。以往的系统会回放针对某一种身体动作定时的预设运动模式，而任务无关控制则实时估算穿戴者关节所付出的力量，然后提供其中的一部分。传统外骨骼使用小型高速电机和大型齿轮组，但它们产生的力量会让关节感觉僵硬。新型执行器使用更大、转速更低的电机和更低的传动比，减少了摩擦，让穿戴者能更自如地带动机器运动。这一切意味着 Gregg 的设备能够提供生物关节所产生力量的约 25%–30%——他说，这足以补偿与衰老、骨关节炎和重复性劳动相关的一些功能缺陷。

与此同时，可穿戴传感器可以追踪肢体运动以及体重如何通过足部传递，然后利用机器学习系统推断所需的辅助水平。佐治亚理工学院的生物力学家 Gregory Sawicki 将这一目标比作构建"一个大型运动模型"，它在足够多的人类动作样本上训练，从而能够跨用户、跨任务做出响应。Sawicki 说，最终成果与其说像钢铁侠，不如说更像"可穿戴电动自行车"。这个类比听起来可能有些奇怪，但学术界之外的设计师们也在呼应这种说法。Nike 的 Project Amplify 是与马萨诸塞州博克斯伯勒的机器人公司 Dephy 合作开发的，它使用佩戴在小腿和脚部的电机、传动带和可充电电池来辅助踝关节运动。该产品仍在测试中，但 Nike 表示，公司最终打算将其出售给希望走得更远、跑得更省力的人。

一名测试者在与参与开发该设备的研究员 Enrica Tricomi 散步时试用 WalkON 机器人系统。图片来源：Uwe Anspach/慕尼黑工业大学

除了更好的执行器，软性材料也让外骨骼更接近衣物。德国海德堡大学的研究人员开发了一套名为 WalkON 的系统，包括肩带、腰带和绑在使用者大腿上的束带——所有这些都可以穿在衣服外面。它使十名老年人在平地上行走的代谢成本降低了 10%。在另一项测试中，年轻成年人在上坡行走时能量消耗减少了 18%⁴。WalkON 外骨骼的重量不到 3 公斤——远比前几代此类设备的笨重机型轻得多。Dick 回忆说她曾见过一台为中风康复者设计的 23 公斤重的设备。"没人能穿得了这个，"她对工程师们说。

日本在机器人和辅助技术方面的经验说明了为什么这一点很重要。北九州九州工业大学的机器人学家 Tomohiro Shibata 测试为人提供照护的机器人，通常是在临床环境中。他说，成本仍然是最大的障碍，但易用性也是一个重要挑战。他解释说，一些临床外骨骼系统需要大约 20 分钟才能穿戴好——这可能会浪费康复预约的时间。与 Sawicki 一样，Shibata 也将电动自行车作为下一代外骨骼的参照物。他说，外骨骼必须成为人们可以"像控制自己身体的一部分一样"控制的东西，不需要专业人员的帮助或持续的维护。他说，外骨骼的尺寸和重量可能会阻碍其使用，就像……（原文未完）