外骨骼：让你成为“钢铁侠”

　　在电影《钢铁侠》中，主人公托尼·斯塔克研制了一种力大无穷、且能自由飞行的动力装甲，人们通常会认为那是很远的未来才能实现的技术。

　　不过，就在上周，欧洲研究人员发布了一款外骨骼穿戴设备，它虽然没有科幻电影中表现得那么神奇，但其超强的举重能力还是赚足了眼球。

　　外骨骼来源于生物学，实质上是一种可穿戴的“人工智能型”装置。它不仅为人提供保护，还能够根据肢体活动来感应、伺服、驱动机械关节重现动作，用以提供额外动力，使人跑得更快、跳得更高、担得更多。

　　近年来，各国智能外骨骼设备不断问世：美国的“勇士织衣”、法国的“大力神”、俄罗斯的“士兵-21”、中国的认知外骨骼机器人……这些技术结合了机械电子、控制、生物、传感、信息融合、新材料等，代表着可穿戴智能设备未来发展方向。

　　可以想象，外骨骼技术将不仅能让瘫痪多年的人站起来行走，更有望让普通人成为力大无比的“钢铁侠”。不过，当智能外骨骼穿戴设备向功能更强大的智能机器人演变时，人类法律、伦理或将面临新考验。

　　让体力增10倍

　　一套机械“骨骼”能让人举重若轻！欧洲研究人员新近发布的一款外骨骼（Robo－Mate）就有这样的效果。在首个实用样品展示中，这款由欧盟资助、于2013年末开始研发的外骨骼能让人抬举物体的能力提升10倍。也就是说，如果你原来能举起50公斤的物体，借助它你能举起500公斤。

　　这是如何做到的呢？研究人员介绍，这一人机互动装置利用小型马达和传感器为人体提供辅助力量和支撑。样机分为3个模块，分别是手臂、躯干和腿部模块。三者分工明确：手臂模块与人手臂相连，主要负责抬举物体；躯干模块主要用于支撑和保护脊背；腿部模块用于人下蹲抓取物体时支撑腿部，减轻腿部承受的压力。不过，由于安全可靠性和外观美化等问题，其真正问世还尚需时日。

　　我国研发第二代产品

　　和其它高科技领域需要苦苦追赶不同，在外骨骼技术上，我国一直紧跟国际发展步伐。目前，国产第二代认知外骨骼机器人（EXOP-2）正在研制中。这个项目由中国科学院常州先进所科研项目办公室主导，去年其第一代认知外骨骼机器人（EXOP-1）已研制成功。

　　首代机器人由航空铝打造，负重仅70公斤，其中30%还得人来承受，不过，其先进性主要体现在意念驱动和电机助力上。当人要做某个动作时，运动趋势信号会被传感器反应到对应肌肉，再传达给控制器和驱动器。系统通过检测人体压力和姿态变化，解读运动意图，与人体达成一致行动。

　　而在第二代系统中，智能性、助力功效将会得到更大提升。据项目办公室主任、副研究员陈剑透露，第二代机器人的助力效率可能达到“一拳打穿墙体”的程度，目前已有多地部队、公安、消防部门等对项目产生浓厚兴趣。

　　美梦做了上百年

　　外骨骼并非近年来才有的新鲜物，其起源可以追溯到19世纪。有趣的是，它并非源于发明家，而是出自英国插画师罗伯特·西摩在1830年所绘的一幅插画，画中人物被安装了一个以蒸汽为动力的辅助行走装置。

　　这一探索启发了无数科学工作者。1917年，美国发明家莱斯利·凯利率先实现了罗伯特·西摩的蒸汽动力辅助行走装置。但由于在实际使用时穿戴者必须背着一台小型蒸汽机，且装置无法完美地随人体完成复杂的结构变形，最终被无奈搁浅。

　　1965年，美国军方和通用公司联合研发了一部名为“哈迪曼”的动力外骨骼装置。通过液压和电机驱动结构，配合力觉反馈感应系统，哈迪曼不仅能感受到人的动作意图，还能将人的力量放大25倍。是不是很完美？不过，由于哈迪曼整机重达680公斤，在人能背动它之前，要拿它做点什么似乎难点。

　　最终，哈迪曼被改进为一部机械手臂，不过还是因为操作困难而惨遭遗弃。或许是自己都觉得滑稽，之后近40年时间里，美国动力外骨骼研究一直处于低谷。

　　直到2000年，一款名为“伯克利下肢外骨骼系统”的问世才真正迎来了实用性外骨骼装置的新时期。这款装置专注于负重，通过将重心转移到腰间与腿部的支撑结构上，不仅能让人轻松背起90公斤物体，同时还能穿越复杂地形。这让它成为目前最“长寿”的一款动力外骨骼装置。

　　顺着这个方向，近年来更多实用性外骨骼装备开始出现。例如，美国雷神公司研发的动力外骨骼系统（XOS—2），理论上能把人力气增加17倍；洛克希德·马丁公司研发的人类负重外骨骼系统（HULC），能让人在背90公斤、没有负重感条件下以近4.5米/秒速度疾行，而且加满燃油后拥有24小时超长续航；华南理工大学研发的第三代骨骼机器人，智能手已经可以像人手一样抓握鸡蛋、开门、玩魔方。

　　将向智能机器人转变

　　人类将来会拥有像钢铁侠那样的“钢铁外衣”吗？对比信息技术发展史，以目前外骨骼技术的发展趋势看，这并非人类遥不可及的梦想。

　　可以预料的是，军用方面，未来的作战外骨骼系统可以集成大量武器、通讯、传感及生命维持系统，从而把士兵武装成“钢铁侠”——轻松抬举高达吨级的物体，可以长距离、长时间高速运动，凭借高防御力新材料实现“刀枪不入”，轻松劈砍砖头、树木，还能实现飞行——这将使士兵作战范围和能力超越传统概念。

　　在民用领域，外骨骼机器人将广泛应用于医疗助残、旅游、消防、救灾等。

　　当然，要实现这些，目前仍有很多障碍需要跨越。比如，外骨骼需要具有良好的可穿戴性，以完美匹配人体运动关节结构和自由度。

　　制造材料也需要有足够强度和韧性。再比如，驱动器应更小更轻便，低功耗、大功率输出。而且，信息传感技术也应更灵敏，以实现对整个外骨骼系统的柔顺控制。

　　更值得一提的是，我们还需要研究基于“人机一体化”思想的控制策略。人的智慧在整个控制系统中应该起到什么作用？这是急需考虑的。

　　当这些瓶颈突破之后，外骨骼装置将向人工智能机器人转变，即用机器人去尝试集成和放大人类的视觉、听觉、触觉、力量、意识，增加我们的判断力，甚至帮我们做判断。

　　同时，更为深层的问题将会出现：我们真的要将判断力、情感让渡给智能机器吗？未来，或许我们需要从法律、伦理上约定——智能机器人不能做哪些事情。这是我们需要反思的智能外骨骼边界问题，也是对人性的根本反思。

　　延伸阅读：

　　民用新式外骨骼设备

　　人体辅助义肢：

　　由日本一家公司研发，用于民用负重及医疗领域，帮助残障伤患者行动或复健。目前已被开发至第5代，重量10公斤，去年在日本小规模上市，被认为是最成熟的民用外骨骼系统。 

　　ReWalk系统：

　　由以色列企业ReWalk Robotics公司研发，用于帮助瘫痪者行动的外骨骼系统。该套系统已经在以色列、美国和欧洲进行了长期测试。2012年，胸部以下截瘫的克莱尔·洛马斯在伦敦残奥会上使用它跑完了马拉松。

　　仿生机械腿：

　　由新西兰一家科技公司设计研发，将其安装在下身瘫痪者的腿上，能让行走障碍人士重新站立、转身、行走甚至上下楼梯。这种装置重量38公斤，由一个轻便充电池提供动力，充电一次可全天使用。