钢铁侠为外骨骼机器人提供了最初的灵感

巴西科学家米古尔·尼科莱利斯在实验室与瘫痪少年正在调试机械外骨骼装置。

外骨骼机械装xos2

仿生机械腿“rex”

新闻背景

在巴西世界杯开幕式上，一名巴西瘫痪少年在脑控外骨骼的帮助下，为本届世界杯开出了第一个球，从而吸引了无数人的目光。

事实上，帮助残疾人士重新获得行动能力，只是外骨骼机器人研究的一个方面，它还有更多诱人的应用前景。

灵感来自漫画《钢铁侠》

外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力或能力。由于其安装位置和产生的作用和生物界中的骨骼很相似，故将其称为人类外骨骼。

外骨骼机器人的灵感其实是来源于当年美国知名的漫画《钢铁侠》。漫画的主人公建造了一件金属铠甲，穿上它的人就成为一个所向披靡的“铁人”。在漫画里面，“铁人”的速度超过了喷气飞机，可以轻易举起1000吨的重物。在好莱坞电影《钢铁侠》、《异形》、《黑客帝国》中，又进一步把这种科幻设想具体化、形象化。

现代机器人所具有的机械动力装置，使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等等。另一方面，虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，但还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力等。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是外骨骼机器人的设计思想。

美国军方是最早推动者

上世纪60年代末期，美国和前南斯拉夫就开始研究人体外骨骼装置。美国研究这一技术的最初目的是增强人的能力，往往是用于军事目的。尽管经过一段时间的沉寂，但到20世纪末期，外骨骼机器人又重新得到世界各国的关注，美国、日本、俄罗斯、以色列、韩国、荷兰等国家都积极地投入到研究中。

王建梅撰写的《机械外骨骼发展史》一文中写到，2000年，五角大楼国防高级研究计划署开始了为期7年、投资数千万美元的机械外骨骼研究计划，这个研究项目被命名为“ehpa”。

第一件真正意义上的机械衣xos建造于2002年，不过当时它没有任何的动力。开发小组建造它的目的，是证明外骨骼能像人体一样自如行动。当一名工程师穿上机械衣以后，尝试做了各种复杂的动作，比如踢球、跑步、爬进汽车驾驶室。通过这一系列实验后，又在恰当的地方采用了一些关节。

2010年第二代外骨骼机械装xos2研发出来，虽然此设计重达90公斤，但军人穿上它后，不但可轻易搬起百斤重物，还可重复击穿七八厘米厚的木板，并且活动自如。这相当于综合了两三人的工作量，不但可减轻士兵的疲劳程度，还能让战斗执行效率加倍。xos2由一系列传感器、传动装置以及控制器所构成，并由高压液压驱动。目前xos系统有一个重大缺陷，就是利用自带的电池只能使用40分钟。

未来的作战外骨骼系统可以集成大量的作战武器系统和现代化的通讯系统，传感系统以及生命维持系统，从而把士兵从一个普通的战士武装成一个“超人”。外骨骼装备可以使士兵轻松承受重量高达吨级的武器装备，外骨骼本身的动力装置和运动系统能够使士兵不感疲倦地做长距离、长时间的高速运动，同时外骨骼坚实的防御能力也使得士兵能够“刀枪不入”。在不久的将来，飞行能力也可能被集成到外骨骼装备中，从而使士兵的作战范围和能力超越传统的概念。

事实上，在民用领域，外骨骼机器人也可以广泛应用于登山、旅游、消防、救灾等需要背负沉重的物资、装备而车辆又无法使用的情况。

为肢体残障人士带来福音

2004年，日本机器人专家山海嘉之创建了一个叫cyberdyne的公司，推销他的全身机械外骨骼hal-5。它没有采用xos式的压力感应器，而是把感应器附着到穿着者身上，从而接收人体肌肉发出的信号内容，以确定人们下一步的行动意图。这套机械外衣的控制系统能够学习、模仿穿着者的自然姿态。这意味着至少需要30分钟时间，两者才能做到基本上协调一致，而不能指望一穿上就行动自如。但是hal-5的主要用途是充当康复治疗辅助工具和护士的助手，所以半个小时的培训时间不构成问题。

2010年，新西兰一家公司发明了全球首对仿生机械腿“rex”，安装在下身瘫痪者的腿上，能支撑身体，帮助他们重新站起来。借助它使用者可以轻松地站立、行走，甚至上下楼梯和斜坡。这种装置重量为38公斤，由一个轻便充电池提供动力，充电一次可全天使用。

2011年7月，日本筑波大学公布一款名为“混合辅助机械套装”的机械外骨骼。该套装通过垫片与身体的特殊部位相连接，能够探测到微弱的生物电信号，垫片与肢体运动相一致。当使用者穿着该套装试图移动时，从大脑释放的神经信号将通过运动神经元传输至肌肉组织，最终将产生肌骨系统的移动。已有两个孩子的残疾人seijiuchid，正是使用这种最新研制的神经控制外骨骼结构，使自己的力量增强了十倍，成功地登上了法国圣米歇尔山。

脑控—更大挑战更美未来

巴西瘫痪少年为世界杯开出的第一个球，之所以引起人们更大的兴趣，是因为这套装置是通过患者大脑意识活动进行控制的。这款被命名为“bra-santos dumont”的“外骨骼”，是非营利国际合作项目“再次行走计划”的一个研究成果，是由美国杜克大学的巴西神经科学家米古尔·尼科莱利斯与德国慕尼黑理工大学的戈登·陈联合开发的。尼科莱利斯此前在接受法国媒体采访时表示：外骨骼’由大脑活动控制，并将信息反馈给佩戴者还是第一次。”

据报道，这套装置通过患者大脑意识活动进行控制，大脑活动可由放置在患者头皮或大脑的电极探测到。信号经无线传输到患者背包内一台笔记本大小的计算机装置中，会被转换成数字化的行动指令，再转换成机械动作。传感器结合机械外骨骼结构，能够将触觉、温度和力量信息反馈至使用者，相关的信息可反馈在视频显示器或者振动电机上。

米古尔·尼科莱利斯早在2000年初就发明了脑机接口，他曾利用猴子做了大量实验，让它们学习只用脑活动来控制两条虚拟手臂的运动。在这个过程中，尼科莱利斯和同事研究了大范围的脑皮层记录，努力为脑机接口提供足够的信号，以精确控制双手运动。

显然，这是一项十分困难的工作。当我们通过电视机看到巴西瘫痪少年为世界杯开球的画面时，就能体会到：这既是一项了不起的突破，同时也只是万里长征迈出的第一步。

应用仍有多重困难

据厦门大学物理与机电工程学院林军介绍，虽然人类外骨骼在最近十几年取得了很大的进展，然而现实中还有许多问题需要解决。

目前人类外骨骼主要通过采集肌电信号和力反馈的方法来获取穿戴者的运动意图，肌电信号采集的方法有很严格的外界环境限制，一旦信号采集的地方发生微小的变化（如流汗等）就会干扰信号的采集；而力反馈法具有本质上的滞后性，当穿戴者做出快速的运动或者高难度的动作时就会有阻碍感。

人类外骨骼主要通过捆绑的方式与穿戴者连接在一起，而这种方式具有很大的缺陷，如人体捆绑部位会因带子的束缚产生血液流通不畅等问题；捆绑处因肌肉的收缩、伸展产生的形状变形会很大程度上影响人类外骨骼的定位精度。

而且，人类外骨骼使用的便携式能源只能给系统提供2至9小时的续航时间，所以开发新的便携能源将成为需要解决的研究难题。

此外，由于人类的生理机构具有承受极限，每个关节有运动范围的限制，因此在人类外骨骼设计中，要防止对穿戴者造成伤害。

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