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书摘:黑科技

作者:顾志强 等著 发表:2016-12-26

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  人体增强:外骨骼、动力机甲,人与智能机器走向“合体”

文 / 任化龙

 什么是机器人外骨骼——从科幻到现实

人因为身体的先天限制因素,没法像猎豹一样快和敏捷,更没法像蚂蚁那样扛比自身重好几倍的东西。小时候观看的动画片中,“圣斗士”们穿上“圣衣”后,战斗力激增,能够挫败敌手,维护安宁。不妨设想,有没有类似的装置,人穿上后能变得更强更敏捷,甚至使普通士兵变成神勇无敌的“圣斗士”呢?许多电影里就有类似的情节,比如在影片《极乐空间》(Elysium)中,男主角Max本已因受强辐射而身体虚弱,装上外骨骼后却能够和反面劲敌Kruger肉搏激战;再如影片《明日边缘》(Edge of Tomorrow)中,汤姆·克鲁斯作为人类士兵身穿单兵机甲与外星生物大战;电影《阿凡达》(Avatar)更构想了体型巨大、可让人坐入其中操控的AMP战斗机甲。还有,差点忘了说钢铁侠套装,但是这款装备过于科幻,既能飞又能发射手炮,胸口还有一个一辈子不用交电费的小型核反应堆提供能源。相比之下,还是前面几个比较接地气。

 

够了够了,别提这么多虚幻的电影了,现实中类似的技术到底发展得怎样呢?别急,咱们先介绍下基本概念。其实影片中出现的,穿在人身上的装置叫做机器人外骨骼,它能通过机械系统为人助力,其结构酷似节肢动物(如螃蟹)的坚硬外壳(学名为外骨骼,即骨头长在肉外面),而且在技术上属于机器人的范畴,因此得名。其中偏军用的装置有时也叫动力装甲。而尺寸较大、功能更强的,尤其是人可以坐在里面操控的称为机甲。机器人外骨骼目前主要应用于医疗康复、救援、工程作业以及军事等方面。

机器人外骨骼系统一般包括机械结构、传感部分、动力与传动部分、能源部分和控制部分。机械结构为整个系统提供结实的支撑,并通过绑带或其他方式固连在人身上来分担承重以及提供发力的基础。下半身型外骨骼与人身体固连部位主要是腰部和腿部;全身型外骨骼的固连部位除了腿部和腰部,还包括上肢和躯干。传感器和信号处理电路构成了传感部分,以采集人体运动趋势、位姿与力量等信息,为控制部分提供判断依据。动力与传动部分一般由电机、液压元件或气动元件提供驱动力或力矩,再通过传动元件传至机械结构,从而使外骨骼做出动作。多数外骨骼系统会采用电池提供总能源,但现有的电池几乎都不足以维持系统长时间高负荷工作,又不可能过分增大电池容积(过重,且外骨骼有尺寸限制),因此有些外骨骼会采用燃油和小型内燃机提供能源和原始动力。

控制部分的核心是微型电脑与控制软件,它能综合传感部分传来的信息,按照人的意图指挥动力传动部分。下面我们来看看当前世界范围内几个极具代表性的产品。

机械外骨骼代表性产品

日本HAL系列康复/作业用外骨骼

众所周知,日本的机器人行业非常发达,机器人外骨骼技术也不在话下。其中最有代表性的当属日本筑波大学和日本科技公司“赛百达因”(Cyberdyne)联合开发的HAL系列外骨骼。它有两个主要的版本:下半身型HAL-3和全身型HAL-5。其功能定位是辅助行动受障碍的人士,或者助力强体力作业(比如救援工作需要搬开重物)等。

最早的原型是由现为日本筑波大学教授的Yoshiyuki Sankai提出的。早在1989年,他获得机器人学博士学位后就开始了设计工作。他先用了3年时间整理绘制了人体控制腿部动作的神经网络,之后又用了4年时间制作了一部硬件原型机。它由电机提供动力,并通过电池供电。早期版本的重量很大,光是电池就有22公斤,需要2名助手帮助才能穿上,而且要连接至外部电脑,因此很不实用。最新的型号在重量方面有了很大改善,整套HAL-5才重10公斤,而且电池和电脑被集成环绕在腰间。HAL系列外骨骼的控制方式最有意思,不过在深入展开之前,咱们还是先了解下人是如何控制身体运动的吧。

当人想让身体做出动作的时候,脑部会产生控制信号,并通过运动神经传送至相应肌群,从而控制肌肉和骨骼的运动。这些神经信号多少会扩散到皮肤表面,形成表面肌电信号,虽然很微弱,但仍能被电子电路检测到。HAL系列外骨骼通过表贴在人皮肤的传感器采集这些信号,控制外骨骼做出和人相同的动作,从而为人的行动助力。对于身患残疾或肢体运动障碍的使用者,这是很巧妙的办法。HAL系列外骨骼目前已经在医疗机构大量使用,取得了一系列巨大的成功,于2012年12月获得国际医疗器械设计制造标准认可(ISO 13485),又于2013年2月获得国际安全性证书(世界第一款获此认证的动力外骨骼),并于同年8月获得EC证书获准在欧洲进行医疗应用(同类医疗用机器人中获准的第一款)。

日本T52 Enryu工程/救援机甲

日本还有个身躯庞大的机甲——T52 Enryu。它高3.5米,宽2.4米,重达5吨。两个胳膊各6米长,总共能抬起1吨重的负荷。强大的力量来源于液压驱动,而能源是柴油。它可由人坐在里面直接操控,也可远程遥控(装有摄像头辅助)。它于2004年由日本机器人公司TMSUK主要开发,设计目的是用于灾难救援,如地震、海啸和车祸等,由于其远程可控性,尤其适合代替人进入危险的环境。它还能操作工具切割金属等材质,破开车门解救被困人员。2006年,T52 Enryu在长冈技术科学大学接受测试中成功从雪堆上举起一辆汽车。

美国硅谷BLEEX军事/安防用外骨骼

美国硅谷是高科技的聚集地,在机器人外骨骼方面也有相当杰出的成就。加州大学伯克利分校人体工程与机器人实验室开发的“伯克利下肢外骨骼”(BLEEX)[2]可谓是目前已公开的、在军事应用方面技术最领先的外骨骼系统。2000年,它被美国国防高级研究计划局(英文简称DARPA)看中并资助。该项目主要用于士兵、森林消防与应急救援人员,帮助他们长时间背负沉重的武器、通信设备和物资。这些苛刻的应用场合,要求外骨骼系统能提供很强的力量和较长的工作时间、保证机械和控制可靠,重量要轻并且要符合人体工学才能保证动作敏捷和长时间穿戴舒适。

第一台实验样机由双腿动力外骨骼、动力/能源单元和可背负各种物品的与框架构成。为做到力量强劲,BLEEX采用液压驱动,并由燃油作为主要能源;同时电控部分仍由电池供电(官方资料称其为混合动力)。为保证在野外使用可靠,当燃油耗尽时,腿部外骨骼可轻易拆下,余下部分可像普通背包一样继续使用。2014年11月,第一台实验样机成功亮相,试穿者身背重物却只感觉像几磅重,并能较灵活地蹲、跨、走、跑,跨过或俯身钻过障碍,以及上下坡。

BLEEX的控制方式是一大亮点。传统检测表面肌电信号的方式比较适合身患残疾或具有肢体运动障碍的使用者,但其最大的问题在于传感器需要和皮肤密切接触,而且信号采集并不总是可靠(比如流汗状态下,传感器就没法紧贴皮肤;而且会改变信号通路的阻抗,信号检测就会不准确),显然不适用于军用这类对可靠性要求较高的场合。因此BLEEX另辟蹊径,采用力反馈的方式:当人腿部开始产生动作的时候,这个力量会带动腿部外骨骼一起产生相同的运动趋势,装在外骨骼上的传感器会敏感地捕捉到这个趋势并驱动外骨骼做出顺应这个力的动作,从而增强力量。不过此方法也不完美,因为要求穿戴者先做出动作趋势,外骨骼才能跟着加强这个动作,当穿戴者做出快速或者高难度的动作时就会有阻碍或滞后感,而且也不适用于截瘫截肢的患者使用。

Bra-Santos Dumont外骨骼让巴西截瘫少年在世界杯上开球

2014年6月12日,圣保罗举行的巴西世界杯开幕式上,一名瘫痪少年在名为“Bra-Santos Dumont”的脑控外骨骼的帮助下开出了激动人心的第一球。这款脑控外骨骼是国际“再次行走计划(Walk Again Project)”的一个研究成果,由杜克大学教授Miguel Nicolelis领导。其灵感来自于Miguel Nicolelis教授的团队在2013年进行的一项实用且有趣的实验,他们开发出一套算法,能帮助恒河猴控制两只虚拟手臂。这款脑控外骨骼系列通过穿戴者佩戴的特殊“帽子”接收脑电波信号,通过装有动力装置的机械结构支撑这名少年的双腿,并帮助他的腿部运动。研究小组为外骨骼安装了一系列传感器,负责将触感、温度和力量等信息反馈给穿戴者,穿戴者能够感知是在何种表面行走。Miguel Nicolelis教授在接受法国媒体采访时表示:“外骨骼由大脑活动控制,并将信息反馈给穿戴者,这还是第一次。”

值得一提是,相比于前面提到的检测表面肌电信号和基于力反馈的两种控制方式,该外骨骼的控制方式特别适用于佩戴者身体已经截瘫或失去下肢的情况。这是因为穿戴者已经无法产生动作以提供力反馈,(截瘫患者)也没法形成表面肌电信号。但它也有缺陷,目前能够识别的脑神经信号是很有限的,而且难以保证信号检测准确。此外,这种方式需要将电极植入头皮或脑内,具有一定的创伤性。

中国自主研发的认知外骨骼机器人1号

中国在机器人外骨骼领域也占有重要的一席。在中科院常州先进制造技术研究所,有一款外骨骼在研发调试阶段。它名为EXOP-1(认知外骨骼机器人1号),[4]目前只有下半身,主要结构由航空铝制成。双腿的髋关节、膝关节和踝关节各有1个电机驱动(共6个),共装有22个传感器以及一个控制器,并由电池提供能源,在人腰部和腿部共有9处固定带。该外骨骼自身总重约20公斤,计划承重70公斤。它的控制方式和BLEEX很接近,都是基于力反馈预判人的动作趋势。中国正在研发外骨骼项目的机构中,已公开报道过的,还包括中科院合肥智能机械研究所和解放军南京总医院。

俄罗斯和以色列的医疗康复用外骨骼产品

医疗用外骨骼能为行走不便的老年人、下肢残疾或瘫痪人士带来重新行走的希望。这方面,除了先前提到的日本HAL系列外骨骼,俄罗斯的ExoAtlet康复用外骨骼也已进入临床测试并准备商业化。以色列ReWalk Robotics公司同样看准了这块市场,更是已经成功在纳斯达克上市。相比于军事和救援应用,这类医疗康复用外骨骼的机械结构和控制原理更简单,易于批量生产,而且价格更易被消费者接受,能满足重要需求且需求群体基数大,既接地气又不失技术壁垒,很受创投资本青睐。

目前存在的问题与未来发展趋势

前面提到的这些机器人外骨骼和机甲,它们的动力装置无非是电机、液压或气动元件等。这些动力元件要想产生足够大的力量,尺寸也必须做得较大,自重也跟着变大了,而且工作时还常有难以忍受的噪音。现有可用于机器人的各种电池的续航力也还很低,设计时也需平衡容量、尺寸和重量等因素。这些核心元件的问题,是当前所有实体机器人系统都要面临的,而且属于产业级别的瓶颈。在瓶颈解决之前,目前各家外骨骼产品的主要看点集中在系统集成优化程度(外观、尺寸、重量、续航力、价格、可靠性、力量与敏捷度之间的平衡)以及控制方式上的创新。

这个瓶颈同样也制约了机器人外骨骼在军事方面的实际应用。几年前就听说战斗民族俄罗斯在开发炫酷的单兵外骨骼系统,但至今也没看到确切消息。不过可以肯定的是,由于巨大的军事应用潜力,大国们不会在这个领域甘于落后。当硬件的技术瓶颈和成本逐步降低后,军用外骨骼会逐渐成为现实。民用级机器人外骨骼也有望进一步大规模商业化,尤其是在医疗康复方面。老年人的行走助力是一个正在逐步扩大的市场,会有越来越多的人有能力购买并愿意使用机器人外骨骼。

外骨骼还可用于虚拟现实交互、动作类游戏。穿戴者能够通过外骨骼感受到触感、力量感,从而体验近乎于现实世界的反馈。举例来说,在模拟射箭游戏中,当玩家模仿拉弓的动作时,手臂和背部的外骨骼会施加一定的阻力,让玩家体验弓的张力。类似的游戏场景还有打高尔夫、模拟拳击对战等。甚至可以通过外骨骼主动做出动作来帮助玩家或运动员学习正确的动作。若外骨骼系统的成本能够大幅降低,并且虚拟现实技术进入成熟阶段,这二者结合形成的娱乐体验场景将是一个极为广阔的市场。

 

[基本信息]

主书名:黑科技

作者:顾志强 等著

出版时间:2017年3月

出版社:  中国友谊出版公司


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