來源：中國軍網-解放軍報 責任編輯：孫智英 發(fā)布：2025-05-09 07:41:36
“穿”在身上的外骨骼機器人
■宋可旸 王睿婷 朱少陽
第十一屆世界互聯(lián)網大會上，參觀者體驗外骨骼機器人協(xié)助搬運重物。新華社發(fā)
以色列一家公司研發(fā)的ReWalk系列外骨骼機器人。供圖：陽明
近日，以色列一家公司宣布，其最新研發(fā)的外骨骼機器人——ReWalk7即將上市。據(jù)悉，憑借創(chuàng)新的技術設計，這款醫(yī)用智能輔助設備有望幫助癱瘓患者獨立行走。
喜歡科幻電影的朋友，一定對《鋼鐵俠》《流浪地球》中的機甲戰(zhàn)士印象深刻。如今，這種科幻構想已從銀幕躍入現(xiàn)實，成為人類突破生理極限的“第二層皮膚”。伴隨著信息化、智能化技術的迅猛發(fā)展，外骨骼機器人接連推出“加強版”“升級版”“未來版”，助力人類不斷拓展自己的能力邊界。
那么，什么是外骨骼機器人？它有哪些應用場景？又面臨哪些機遇與挑戰(zhàn)？請看本期解讀。
奇思鑄甲——
“鋼鐵俠”的百年歷程
一般而言，外骨骼機器人是指一種可穿戴于人體外部的智能機械裝置。該裝置通過將人體的感覺、思維和運動等與機器的傳感系統(tǒng)、智能處理中心及控制執(zhí)行系統(tǒng)相結合，達到改善人體物理機能等目的，其本質是一類可實現(xiàn)人機結合的可穿戴式機器人。
人類對“外骨骼”的探索，始于19世紀末的奇思妙想。
1890年，俄羅斯發(fā)明家尼古拉·亞格恩首次提出將無源機械結構“穿”在人體上增強運動能力的構想。
后來隨著蒸汽機與內燃機技術的發(fā)展，人們開始渴望用外部能源為“外骨骼”裝甲注入新動力。
1917年，美國發(fā)明家萊斯利·凱利設計了一部名為“Pedomotor”的步動輔助裝置。該裝置由蒸汽驅動，奠定了現(xiàn)代動力外骨骼的研發(fā)基礎。不過，在實際使用時，穿戴者必須背負一臺小型蒸汽機，這給使用者增加了較大身體負重。同時，“Pedomotor”僵硬的關節(jié)與粗糙的動力學設計，使其難以隨人體運動完成復雜的結構變形，最終無奈擱淺。
外骨骼機器人的第一次重大突破發(fā)生在1967年。
這一年，美國通用電氣公司研制的“Hardiman”外骨骼機器人原型機橫空出世。這款原型機采用半仿生構型設計，通過液壓驅動使該機器人具備30個關節(jié)自由度，能輔助普通人輕松舉起一百多公斤重的物體。然而，“Hardiman”680公斤的自重、遲緩的動作節(jié)奏和驚人的能耗，嚴重限制了該機器人項目的落地。最終，該公司不得不放棄這一項目，留下了一地“鋼鐵殘骸”。盡管如此，“Hardiman”的誕生依然為外骨骼機器人的未來探索指引了方向。
進入21世紀后，隨著材料科學、傳感器技術和控制算法的飛速發(fā)展，外骨骼機器人踏上了蛻變?yōu)槿祟悺暗诙悠つw”的嶄新階段。
在醫(yī)療康復領域，外骨骼機器人技術的創(chuàng)新進步為肢體功能障礙患者開辟了新的治療路徑。日本東京筑波大學的實驗室里，銀白色的HAL外骨骼機器人捕捉使用者的肌電信號，有望為患者重新編織斷裂的神經網絡，讓沉睡的肢體逐漸恢復健康。
在工業(yè)領域，通過力學補償和人體工程學設計，外骨骼機器人正在為生產制造一線的工人卸下重負。以德國仿生科技公司開發(fā)的CrayX外骨骼機器人為例，該機器人采用高強度碳纖維材料鑄造骨架，兼具輕量化和耐用性的特點。另外，其搭載的智能傳感器系統(tǒng)可實時監(jiān)測工人的動作姿態(tài)和受力情況，動態(tài)調整外骨骼機器人的支撐力度，有效減輕工人的肌肉疲勞和關節(jié)壓力，從而顯著降低工人因長期重復勞動或負重作業(yè)導致的職業(yè)損傷風險。
在軍事裝備的創(chuàng)新浪潮中，外骨骼機器人的引入，為提升單兵作戰(zhàn)能力開辟了新的途徑。
例如，美國伯克利仿生科技公司研發(fā)的“人體負重外骨骼”，不僅結構輕巧，負重能力也超過100千克。穿戴這種“外骨骼”的士兵，不僅能夠輕松背負重型裝備行軍，還能同時完成在掩體后蹲姿射擊等高難度戰(zhàn)術動作。此外，該系統(tǒng)能顯著降低人體對氧氣的消耗，大幅提升單兵的持續(xù)作戰(zhàn)和戰(zhàn)場機動能力。
多維戰(zhàn)衣——
“外骨骼”的構型圖譜
作為人機協(xié)同技術的重要載體，外骨骼機器人的分類體系可依據(jù)多維度的技術特征與應用場景進行構建。
從特定部位來看，外骨骼機器人可分為上肢、下肢和全身三大類型。
上肢外骨骼機器人類似于給手臂和肩部披上“機械肌肉”，助力使用者輕松舉起重型工具，完成精密裝配作業(yè)。下肢外骨骼機器人則聚焦于對腰腿部位的支撐，其自適應支撐結構既能為負重登高的消防員構建動態(tài)平衡支點，也能通過仿生步態(tài)算法，賦予截癱患者自然流暢的行走節(jié)奏。全身外骨骼機器人則更進一步，通常采用模塊化設計，將機械框架與人體的生物力學耦合，能支持特定部位的功能強化，提升使用者整體運動能力。
從結構設計來看，外骨骼機器人可分為剛性和柔性兩類。
剛性外骨骼機器人由金屬、塑料、碳纖維等硬質材料制成，通常具有剛性框架，可以為使用者提供強大的力量支持。然而，它的“硬派”風格也帶來了穿戴上的局限——關節(jié)活動范圍受限，長時間使用可能讓使用者感到束縛，甚至影響自然步態(tài)。
柔性外骨骼機器人則如同一件能提供動力的“衣服”，通常采用輕質、耐用的功能性紡織品制成。哈佛實驗室研發(fā)的織物外骨骼機器人是其中的典型代表。通過輕量化的線纜結構牽引，該機器人幫助人類悄然協(xié)調每一步的起落，為行走注入了更自然的步態(tài)輔助。
從應用領域來看，外骨骼機器人主要分為增強類外骨骼機器人和康復類外骨骼機器人。
增強類外骨骼機器人通過靈敏的傳感器和高效的動力單元，“無縫銜接”使用者的動作意圖，為關鍵部位提供精準的力量補充。這類外骨骼機器人常見于需要高強度體力的場景，其核心使命是成為人類體能的延伸，讓繁重的工作變得輕松可控。
康復類外骨骼機器人則更像一位“復健教練”，主要適用于腦卒中、腦損傷和脊髓損傷等患有神經系統(tǒng)疾病的患者，幫助他們重拾肢體運動能力。
從能源驅動方式來看，外骨骼機器人又可分為主動式和被動式兩類。
主動式外骨骼機器人由外部源直接驅動機械結構輸出輔助力，能夠顯著減輕使用者在運動過程中的力量負擔。其動力來源多樣，包括電池驅動的電機、液壓系統(tǒng)等，配合高精度的傳感器和智能控制算法，不僅能補償因體力不足或傷病造成的肌力缺失，還能增強健康使用者的力量和耐力。
相比之下，被動式外骨骼機器人沒有額外電源，運作過程完全依賴使用者的運動行為。這類設備通過巧妙的機械設計，將人體動作中的能量轉化為輔助力，實現(xiàn)“無中生有”的能量回收與利用，進而讓行走變得更輕松。
破繭之路——
技術攻堅的三道關
從20世紀60年代美國首次提出“外骨骼機器人”的概念至今，全球已有多個國家開展關于外骨骼機器人的研究。
盡管世界上已推出多型外骨骼機器人裝備，但外骨骼機器人離批量投入市場使用還有一定距離。究其原因，外骨骼機器人技術發(fā)展仍面臨諸多關鍵挑戰(zhàn)：
——成本高昂，普及受限。作為智能穿戴技術的“天花板”，外骨骼機器人集成了多種微型傳感器、驅動器、電腦及其外圍電路和復雜的控制算法。這種高度集成與復雜性也伴隨著高昂的元器件成本。
此外，為了追求輕量化、提高穿戴舒適性，外骨骼機器人往往選用昂貴的鈦合金、硬鋁合金等高強度輕質材料，這些材料的運用也讓外骨骼機器人的身價水漲船高。
目前，一套基礎版下肢康復外骨骼機器人的售價高達4.5萬至8萬美元，遠超普通患者的承受能力；應用于軍事和工業(yè)領域的全身負重外骨骼機器人，價格更是令許多潛在使用者望而卻步。這種“高精尖”與“高成本”的門檻，成為外骨骼機器人技術普及路上的一道“天塹”。
——結構笨重，舒適欠佳。外骨骼機器人的骨架通常由金屬連桿構成，采用剛性結構設計，這導致其體積較大且有較大重量。通常，一套下肢外骨骼機器人的重量有10至30公斤。
此外，使用者穿戴下肢外骨骼機器人時，需要使用多層綁縛帶將金屬框架與人體腰、腿等部位多點錨定。這種剛性結構的設計帶來了顯著的問題：當使用者邁步時，外骨骼機器人的傳動桿件與生物肢體形成機械與人體的雙軌運動系統(tǒng)——金屬連桿的剛性位移軌跡與肌肉牽拉的柔韌運動產生干涉效應，迫使穿戴者如同踩著軌道行走，只能改變原有的行走習慣。
同時，人體髖膝踝關節(jié)原本是具備6個自由度的精密球鉸系統(tǒng)，而傳統(tǒng)外骨骼機器人的旋轉關節(jié)往往被簡化為單軸鉸鏈結構。這種降維設計的機械關節(jié)在三維空間中運動時，其預設的轉動軸線與人體關節(jié)瞬時旋轉中心產生的偏差，會通過金屬框架傳導為持續(xù)的作用力差。這猶如將精密齒輪組與簡單鉸鏈強行嚙合，最終將造成使用者身體肌肉的代償性疲勞。
——續(xù)航受限，效能打折。外骨骼機器人的續(xù)航能力一直是制約其廣泛應用的關鍵瓶頸之一。受限于當前電池技術的能量密度以及自身的重量負擔，大多數(shù)外骨骼機器人系統(tǒng)陷入了“充電兩小時，工作一刻鐘”的尷尬境地。
以美國伯克利大學研發(fā)的BLEEX外骨骼機器人為例，盡管設計先進，但在背負30余公斤物品行走的情況下，“BLEEX”能量儲備僅能維持自身120分鐘的持續(xù)運作。而雷神公司的XOS1機器人更是“電量焦慮”的典型代表——雖然功能強大，但自帶的電池卻只能持續(xù)供能40分鐘。續(xù)航能力的不足，束縛了外骨骼機器人邁向軍事、醫(yī)療和工業(yè)等領域的廣闊應用天地。
因此，在突破續(xù)航瓶頸的科技攻堅中，能量存儲與分配系統(tǒng)的迭代升級，正逐步成為外骨骼機器人技術持續(xù)進化的關鍵突破口。
盡管面臨成本、舒適性與續(xù)航能力的三重挑戰(zhàn)，新型材料、腦機接口和仿生算法的突破還是為外骨骼機器人技術描繪出了清晰的發(fā)展路徑——更輕薄的骨架將取代傳統(tǒng)框架；固態(tài)電池與無線充電技術正在改寫續(xù)航規(guī)則；AI深度學習算法賦予的“預判式輔助”將使機械運動如臂使指。到那時，這場始于19世紀末的機械狂想，終將實現(xiàn)它的“承諾”：讓科技進步延伸至人類的肢體，為社會發(fā)展帶來更多便利。
