文/付麗麗

上海街頭這樣一幅景象引起不少人好奇圍觀：一位外賣(mài)小哥背著摞起來(lái)有一人高的外賣(mài)箱，行走、爬樓身輕如燕，仔細(xì)觀察，他的身上裝著一副類(lèi)似鐵甲的機(jī)械外骨骼。

據(jù)報(bào)道，這套外骨骼機(jī)甲裝備是某外賣(mài)平臺(tái)的測(cè)試設(shè)備，主要使用場(chǎng)景是高峰期外賣(mài)騎手爬樓梯或是在不能騎行電瓶車(chē)的區(qū)域送餐。

該裝備的制造商在微博上解釋稱(chēng)，外賣(mài)小哥在工作時(shí)，背負(fù)的重量可經(jīng)由機(jī)械裝置傳導(dǎo)到地面，不論背負(fù)的物體有多重，人體主要承擔(dān)操作力，肩膀承擔(dān)的力約為5千克～10千克，力量一經(jīng)分散，外賣(mài)騎手背著50千克的東西就像背著一臺(tái)筆記本電腦，可以很輕松地行走。

這一事件引發(fā)了網(wǎng)友熱議：這不是科幻電影中的場(chǎng)景嗎，這么快就走進(jìn)現(xiàn)實(shí)了？更讓人疑惑的是，機(jī)械外骨骼設(shè)備是如何打造的，為什么能讓人在負(fù)重情況下依舊行動(dòng)靈活？

可將人類(lèi)力量和速度放大上千倍

據(jù)了解，機(jī)械外骨骼也稱(chēng)“動(dòng)力外骨骼”，是一種由鋼鐵及其他材料框架構(gòu)成的機(jī)械裝置，源于生物學(xué)中外骨骼的概念，如軟體動(dòng)物蝦、蟹的甲殼等。這個(gè)裝備可以為人體提供額外的能量，供四肢運(yùn)動(dòng)，其本質(zhì)就是將人類(lèi)本身的力量和動(dòng)作速度放大幾倍甚至上千倍。

機(jī)械外骨骼的研究最早始于20世紀(jì)60年代，美國(guó)通用公司于1966年提出哈德曼助力機(jī)器人的設(shè)想并開(kāi)始研發(fā)。當(dāng)時(shí)制造出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置可以幫助人類(lèi)輕易舉起近百斤的重物，雖然這一項(xiàng)目后來(lái)由于經(jīng)濟(jì)原因停滯，但這一裝置成為了今天機(jī)械外骨骼的雛形。

一般而言，常見(jiàn)的機(jī)械外骨骼主要由四部分組成，即軟件控制系統(tǒng)、機(jī)械支撐系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械外骨骼需要與人體聯(lián)動(dòng)，在極短的時(shí)間內(nèi)判斷出使用者的動(dòng)作意圖，并且給予恰如其分的幫助。

例如，裝備好可穿戴機(jī)械外骨骼以后，當(dāng)使用者試圖搬運(yùn)重物時(shí)，手肘會(huì)發(fā)生彎曲，上臂的肌肉纖維組織緊靠在一起，從而牽動(dòng)肌鍵運(yùn)動(dòng)，直觀表現(xiàn)就是肌肉隆起。這時(shí)，與皮膚相接觸的壓力傳感器通過(guò)采集肌肉收緊的強(qiáng)度和方向信息，可以感應(yīng)到使用者的動(dòng)作意圖。它會(huì)把收集得到的數(shù)據(jù)資料傳達(dá)給位于軟件控制系統(tǒng)的信息處理器，計(jì)算出如何移動(dòng)外骨骼可讓使用者自身用力最小，然后再把指令傳遞到機(jī)械支撐系統(tǒng)中相應(yīng)的關(guān)節(jié)，通過(guò)關(guān)節(jié)內(nèi)部的液壓機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置產(chǎn)生精確的力量，從而做到與人的動(dòng)作同步。整個(gè)過(guò)程中，由動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)提供電力等能源支撐。

寶雞易能特電子科技有限公司總經(jīng)理劉啟帆表示，如果把使用者比作機(jī)械外骨骼的中心處理器，那么機(jī)械外骨骼可以看作是使用者肢體的延伸，這種人機(jī)合一協(xié)作模式能夠?qū)ν话l(fā)狀況或者未知環(huán)境迅速做出正確有效判斷，并且實(shí)時(shí)根據(jù)人的判斷做出響應(yīng)。這個(gè)過(guò)程理論上是有一點(diǎn)時(shí)滯的，但機(jī)械外骨骼以每秒數(shù)千次的速度調(diào)整裝備的每一個(gè)關(guān)節(jié)，能夠像影子一樣跟隨人的動(dòng)作，讓使用者幾乎察覺(jué)不到時(shí)滯的存在。

助力外賣(mài)小哥只是牛刀小試

這么“高大上”的裝備只用來(lái)送外賣(mài)是不是大材小用？除了應(yīng)用于負(fù)重和物流外，機(jī)械外骨骼還能給我們帶來(lái)什么驚喜？

據(jù)浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授楊燦軍介紹，從用途來(lái)看，機(jī)械外骨骼系統(tǒng)大致可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是控制型，一類(lèi)是增力型。

控制型機(jī)械外骨骼是將人的靈活統(tǒng)治能力傳遞給機(jī)器裝置，主要應(yīng)用于人類(lèi)自由活動(dòng)難度較大的領(lǐng)域，例如對(duì)空間機(jī)器裝置的人機(jī)耦合控制、深海作業(yè)、山體滑坡搜救或是排雷等。目前多采用的是無(wú)線控制型機(jī)械外骨骼，包括一個(gè)外骨骼動(dòng)作捕捉衣和一臺(tái)機(jī)械裝置。使用者穿戴動(dòng)作捕捉衣，動(dòng)作捕捉衣可實(shí)時(shí)采集人體上各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為信息指令傳送到機(jī)械裝置上，機(jī)械裝置可根據(jù)信息指令對(duì)人體的肢體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)模仿跟隨，機(jī)械裝置更接近于人直接作業(yè)形態(tài)。

增力型機(jī)械外骨骼，常見(jiàn)為可穿戴型裝備，主要應(yīng)用在肌力增強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)康復(fù)和國(guó)防軍工等領(lǐng)域，比如輔助殘疾人或老年人行走的機(jī)械外骨骼，以及美軍的單兵機(jī)械裝備。2004年，日本筑波大學(xué)教授山海嘉之成立了Cyberdyne公司，第二年就推出了一款混合輔助假肢（HAL），該裝置重達(dá)23公斤，充電電池續(xù)航時(shí)間接近2小時(shí)40分鐘，可通過(guò)探測(cè)到皮膚表面電信號(hào)，指令動(dòng)力裝置控制肌肉和骨骼的移動(dòng)。在HAL的幫助下，使用者不僅可以進(jìn)行正常的日常生活，還可以完成站立、步行、攀爬、抓握、舉重物等高難度動(dòng)作。

那么，機(jī)械外骨骼需要根據(jù)使用者量身打造嗎？

首先，控制型機(jī)械外骨骼由于機(jī)械裝備并未與人體直接貼合，所以個(gè)體差異并不會(huì)影響它的使用。增力型機(jī)械外骨骼則要視情況而定。

專(zhuān)家解釋說(shuō)，用于康復(fù)治療的機(jī)械外骨骼是針對(duì)肌體功能缺失需要進(jìn)行外部輔助恢復(fù)的行動(dòng)障礙人群，不同的肌體恢復(fù)需要有針對(duì)性設(shè)計(jì)，在使用機(jī)械外骨骼進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，醫(yī)生為需要針對(duì)不同病患設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，然后才能利用機(jī)械外骨骼幫助患者進(jìn)行一步一步的重復(fù)性訓(xùn)練，無(wú)法做到通用。單純的增力型機(jī)械外骨骼則是把機(jī)器裝置綁在人身上，實(shí)現(xiàn)功能最大化，它針對(duì)的是行動(dòng)功能正常的人，隨著技術(shù)進(jìn)步，能做到通用化、批量使用。

大規(guī)模應(yīng)用需要再過(guò)幾道關(guān)

想要實(shí)現(xiàn)機(jī)器外骨骼的大規(guī)模應(yīng)用，還要克服研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的困難。

劉啟帆介紹，難點(diǎn)之一是能源供給系統(tǒng)。機(jī)械外骨骼裝備要求持久、高效、安全的能源供給，尤其是室外應(yīng)用的機(jī)械外骨骼，通常難以獲得外部能源供應(yīng)。因此，能否實(shí)現(xiàn)可靠、超強(qiáng)續(xù)航能力的動(dòng)力能源供應(yīng)，是機(jī)械外骨骼能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的核心問(wèn)題之一。

以蓄電池作為動(dòng)力源的機(jī)械外骨骼，工藝難度低、噪聲小，但續(xù)航時(shí)間短、輸出功率低；采用液壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源，雖然可提供較大的功率和相對(duì)較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，但噪聲、振動(dòng)、發(fā)熱量都很大，并不能作為長(zhǎng)期使用的理想動(dòng)力源。

此外，傳感器的靈敏程度也有待加強(qiáng)。楊燦軍表示，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)外骨骼系統(tǒng)的柔順控制，需要快速的信息傳感技術(shù)用來(lái)獲取所需的控制信息，并對(duì)多信息進(jìn)行高效快速融合，發(fā)出控制指令。