瘫痪美女小姐姐自主行走、外卖小哥负重100斤爬5楼……“机甲时代”外骨骼设备带来了哪些奇迹?

物联网智库·2021-10-19
现实中的“钢铁侠”

近日,一段瘫痪小姐姐自主行走的视频走红网络,视频中,在12年前就被医生宣告终身瘫痪的舞蹈表演者@几木朵_穿戴好充满科技感的外骨骼设备后,先是慢慢站了起来,随即勇敢地迈出了第一步,虽然动作略显生疏,但喜悦与激动之情溢于言表。据悉,@几木朵_是接受了杭州成天科技发展有限公司的邀请,在其智能康复中心体验了公司的外骨骼机器人。

上百万播放量的视频下,上千条评论、转发在鼓励博主的同时,也再一次将“外骨骼”推向大众热议的焦点。该条微博的热评第一条正是来自一位康复外骨骼工程师,看过其他网友对于外骨骼为患者带来神奇改变后的惊讶与激动,他表示感到责任重大。

在深度感受着科技温度的同时,越来越多网友(尤其是家里有肢体残疾亲属的网友)对外骨骼设备从最开始的好奇、惊叹到逐渐赋予厚望。

外骨骼创造的“机甲战士”

外骨骼技术可以看作是一种可穿戴于人体的机械结构,通过精巧的力学设计和灵敏的传感操控等,实现穿戴者行动能力的提升,最初以战斗装备的形式出现于家喻户晓的漫威漫画《钢铁侠》中,并很快引起了美国军方的关注。

1963年,美国陆军武器研究者谢尔盖·扎鲁德尼发表了一份报告,描述了他设计的可穿戴机器外衣为穿戴者带来的巨大能量。显然,就彼时的技术水平而言,让钢铁侠走进现实还存在较大技术鸿沟,幸而创新技术正在一点点拉近人类奇思妙想与现实场景的差距。

五角大楼国防高级研究计划署(Darpa)于2000年开始了为期7年投资7500万美元的机械外骨骼研究计划。此外,日本公司也一直在努力以商业用途开发外骨骼,特别是帮助残疾人和老年人进行日常生活。

回望国内,中国兵器集团202所外骨骼项目也于2013年正式立项,2015年7月,中国单兵外骨骼系统首次亮相于中国军民融合技术装备博览会。

多年来,随着传感器、控制系统、硬件材料的革新,外骨骼系统从漫画中的构想走向实验室、最终实现了落地,并逐渐突破了军用领域的桎梏,实现了商用。对于普罗大众而言,除了拯救世界的超级英雄之外,医疗、工业这两位“机甲战士”的轮廓也逐渐变得清晰起来。

在医疗领域,外骨骼主要可用于康复治疗。

像@几木朵_所用的外骨骼,就是先通过传感器检测用户意图,再带动患肢运动,属于康复训练外骨骼中的辅助训练,主要作用是带着患者先动起来,以刺激神经可塑性等方式开始康复进程。除此之外还可以进行约束训练,即用设定好的程序带动患者做出指定动作,从简单的动作开始,适应了以后再慢慢加大动作幅度和每次训练时长,也被称作“分步康复机器人”。恢复到一定程度后就可以进行抵抗训练,外骨骼会对患者运动施加反方向的阻力来锻炼患肢的力量。

程天科技外骨骼机器人,图源@几木朵_

辅助行走外骨骼则是针对还具有一定运动能力,但身体虚弱、行走不便的人群,及时检测用户意图满足日常活动,同时还可以检测身体姿态,如上坡时提供助力,下坡时提供阻力,让使用者保持运动稳定。

在经历了艰难的康复训练后,很多患者已经在外骨骼的帮助下创造了奇迹:在“2020年查尔斯顿马拉松赛”上,一名来自南卡罗莱纳州的下半身瘫痪男子穿着外骨骼服饰跑完了26.2英里(约42公里)的全程马拉松,并以33小时50分23秒的成绩打破该项目原有纪录。

在工业领域,外骨骼主要应用于工业制造、物流运输等行业,尤其是很多工业制造需要高强度的体力劳动,短期内也无法完全用机器人取代。例如,在汽车装配工作中,工人经常需要双臂上举,手持工具长时间抬头作业,容易造成上肢肌肉疲劳,降低工作效率。因此,一些汽车工厂引入了上肢外骨骼机器人,减少工人体力消耗,在提高效率的同时也可以防止工伤事故。

此外,外骨骼的“超级力量”也可以将外卖小哥包装成“机甲骑士”,去年4月,一则饿了么外卖小哥身着外骨骼机甲送餐的照片登上了热搜,小哥身着外骨骼机器人外卖设备,背负100斤重的物品也可像背了一台笔记本电脑一样,轻松行走,上下楼梯。

减轻自重,降低成本

可以看出,外骨骼技术的应用前景还是十分广阔的,目前已经有不少高校研究机构和公司都在进行这方面的研究。

高校方面,包括国内的清华、南航等,以及国外的UC伯克利、哈佛、MIT等,近年来都不断在产出相关的研究成果。例如,哈佛的Conor Walsh教授项目组曾产出过一款柔性外骨骼,协助中风患者独立行走;北航博士杨兴帮研发了一款踝关节外骨骼系统,针对踝关节功能未完全受损的足下垂患者,通过机械训练助其恢复健康。

 图源:量子位

企业方面,国内的广州一康、晁禾医疗、蝶和医疗等企业率先进军康复机器人,傲鲨智能程天科技、尖叫科技、大艾机器人布法罗机器人等外骨骼机器人公司呈现爆发之势,吸引了联想创投、蓝驰创投、IDG、火山石、前海母基金、睿顶资本等多方投资。

国外企业有美国知名机器人研发企业萨科斯机器人、以色列的Rewalk、日本的Cyberdyne、美国的Ekso Bionics公司、法国的Wandercraft。

然而,外骨骼概念虽然频频惊艳众人,但却仍未飞入寻常百姓家,至于原因,从@几木朵_的微博评论中我们也可以窥探一二,售价自然是最大的阻碍,降低使用门槛依旧是外骨骼机器人推广的重中之重。目前,因康复所需一定的专业知识,康复外骨骼机器人基本都属于医院或康复中心,供患者付费使用,,很少有患者选择购买康复机器人在家自行训练。

除了价格之外,外骨骼设备的外形也是限制其日常化的重要原因,尤其是面向无法自主行动的患者时,外骨骼设备不仅要完成动作,更要帮助使用者保持姿势。虽然工业及军用领域已经尽量轻量化,但显然仍未达到人们对于可穿戴设备的要求。

如果说轻量化是外骨骼大规模推广的最低要求,那么智能化则是为外骨骼创造价值的更高标准。

目前,外骨骼主要通过传感器检测患者意图,再做出反应,其中的反应时延对于瘫痪或无法自主行走的患者而言仍存在风险及误判可能。未来,利用脑机接口驱动外骨骼完成动作或许才能实现真正的自主行走。

写在最后

最近几年,随着连接技术、控制系统、传感器、外壳材料等主要组成部分的快速发展,外骨骼设备也在日趋成熟,相信在进一步解决轻量化、智能化及价格问题后,外骨骼也可以成为常用可穿戴设备,帮助更多有梦想的舞者站上自己的人生舞台,也帮助更多有毅力的运动员跑赢命运的马拉松。

参考资料:

1.《外骨骼机器人能否堪当重任?聊聊外骨骼机器人的那些事儿》,雷克智能

2.《上海街头惊现“机甲骑士”外卖小哥,可负100斤重物,一口气上五楼不喘气》,物联网智库

3.《康复外骨骼机器人如何走进寻常百姓家?》,机器人大讲堂

4.《瘫痪小姐姐“自主”行走视频火了,曾借助轮椅完成舞蹈表演,网友:灵魂是战士》,量子位

本文来自微信公众号 “物联网智库”(ID:iot101),作者:Ada,36氪经授权发布。

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