付麗麗

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

據(jù)報道，這套外骨骼機甲裝備是某外賣平臺的測試設(shè)備，主要使用場景是高峰期外賣騎手爬樓梯或是在不能騎行電瓶車的區(qū)域送餐。

該裝備的制造商在微博上解釋稱，外賣小哥在工作時，背負的重量可經(jīng)由機械裝置傳導(dǎo)到地面，不論背負的物體有多重，人體主要承擔操作力，肩膀承擔的力約為5千克～10千克，力量一經(jīng)分散，外賣騎手背著50千克的東西就像背著一臺筆記本電腦，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景嗎，這么快就走進現(xiàn)實了？更讓人疑惑的是，機械外骨骼設(shè)備是如何打造的，為什么能讓人在負重情況下依舊行動靈活？

可將人類力量和速度放大上千倍

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

機械外骨骼的研究最早始于20世紀60年代，美國通用公司于1966年提出哈德曼助力機器人的設(shè)想并開始研發(fā)。當時制造出的電機驅(qū)動裝置可以幫助人類輕易舉起近百斤的重物，雖然這一項目后來由于經(jīng)濟原因停滯，但這一裝置成為了今天機械外骨骼的雛形。

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

例如，裝備好可穿戴機械外骨骼以后，當使用者試圖搬運重物時，手肘會發(fā)生彎曲，上臂的肌肉纖維組織緊靠在一起，從而牽動肌鍵運動，直觀表現(xiàn)就是肌肉隆起。這時，與皮膚相接觸的壓力傳感器通過采集肌肉收緊的強度和方向信息，可以感應(yīng)到使用者的動作意圖。它會把收集得到的數(shù)據(jù)資料傳達給位于軟件控制系統(tǒng)的信息處理器，計算出如何移動外骨骼可讓使用者自身用力最小，然后再把指令傳遞到機械支撐系統(tǒng)中相應(yīng)的關(guān)節(jié)，通過關(guān)節(jié)內(nèi)部的液壓機構(gòu)傳動裝置產(chǎn)生精確的力量，從而做到與人的動作同步。整個過程中，由動力系統(tǒng)來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械外骨骼的中心處理器，那么機械外骨骼可以看作是使用者肢體的延伸，這種人機合一協(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，并且實時根據(jù)人的判斷做出響應(yīng)。這個過程理論上是有一點時滯的，但機械外骨骼以每秒數(shù)千次的速度調(diào)整裝備的每一個關(guān)節(jié)，能夠像影子一樣跟隨人的動作，讓使用者幾乎察覺不到時滯的存在。

助力外賣小哥只是牛刀小試

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

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

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

增力型機械外骨骼，常見為可穿戴型裝備，主要應(yīng)用在肌力增強、運動康復(fù)和國防軍工等領(lǐng)域，比如輔助殘疾人或老年人行走的機械外骨骼，以及美軍的單兵機械裝備。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23公斤，充電電池續(xù)航時間接近2小時40分鐘，可通過探測到皮膚表面電信號，指令動力裝置控制肌肉和骨骼的移動。在HAL的幫助下，使用者不僅可以進行正常的日常生活，還可以完成站立、步行、攀爬、抓握、舉重物等高難度動作。

那么，機械外骨骼需要根據(jù)使用者量身打造嗎？

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

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

大規(guī)模應(yīng)用需要再過幾道關(guān)

想要實現(xiàn)機器外骨骼的大規(guī)模應(yīng)用，還要克服研發(fā)過程中出現(xiàn)的困難。

劉啟帆介紹，難點之一是能源供給系統(tǒng)。機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)用的機械外骨骼，通常難以獲得外部能源供應(yīng)。因此，能否實現(xiàn)可靠、超強續(xù)航能力的動力能源供應(yīng)，是機械外骨骼能否實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的核心問題之一。

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

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