科幻迷憧憬的外骨骼不但酷炫也很实用,但价位与诸多问题仍留待解决

时间:2020-07-27    作者:     938 次浏览

科幻迷憧憬的外骨骼不但酷炫也很实用,但价位与诸多问题仍留待解决

尼古拉斯‧葛兹(Nicholas Gotts)是福特汽车的员工,过去 6 年里,他几乎每天都在福特旗下的野马跑车生产线忙碌,做最多的事情就是扭螺丝。

在汽车生产线,员工大多使用工业级电钻机,站在汽车底盘下方,将电钻机举过头顶,才能用螺丝固定框架。这个动作葛兹每天大概要做 500 次,这也使他很早罹患腰肌劳损。

但从去年开始,葛兹在生产线动作变得轻快许多,也不像以前一样做一下就要停下来休息。

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祕密在于葛兹身上特殊的工作背心:主体是一块金属背板,由两侧肩带和腰间环形臀带支撑,相连的管状支架则从后背一直延展到双臂两端。

因为构造和设计和人体骨架相似,这种奇怪的装置也有个抽象的名称,叫「外骨骼」。

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1890 年,俄罗斯发明家 Nicholas Yagn 设想的辅助行走装置图。

自蒸汽时代起,一名俄罗斯人就曾萌生「用外置骨架配合压缩气囊的方式改善人类运动力」的想法,但当时并未整合电源供应系统,反而需要人自己花力气操作,动力没多少,负担倒是重了许多。

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60 年前,通用电气公司应美国军方要求开发的外骨骼装甲。

到了 1960 年代,真正意义上内建动力系统的外骨骼装置才出现。当时,通用电气公司应美国军方要求,开发了名为「Hardiman」的增强型装甲,号称能让使用者举起近 700 公斤的重物──相当于举起一头水牛。

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然而,历经 60 年,大部分人对外骨骼的认知仍然只停留在电影和游戏作品,满足了少数人对超能力的想象,却更像娱乐化的产品。

而在现实世界,这个看似能赋予人体奇特能力的装置,却没有那幺令人瞩目。

因外骨骼而改变的医疗、工业和军事领域

收到福特汽车的订单前,Ekso Bionics 公司已获得开启医疗市场的钥匙。

2012 年,Ekso Bionics 推出首款外骨骼支架装置 Ekso GT,开始与当地神经康复中心合作,让截肢或瘫痪者、其他行动不便的病人能重新获得站立能力,或是用于步行训练。

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截肢或瘫痪者使用 Ekso GT 用于步行训练。

整套装置由铝合金和钛合金构成,虽然重量高达 20 公斤,但由于有独立支撑架构,以及连线的金属支架,重量会转到最底的脚板,所以穿戴者并不会有明显的负重感。

同时,腿部和膝关节的感测器还会侦测患者的运动能力,再透过电动马达施加外力,帮助患者双腿行动。

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4 年后,这款装置拿到美国 FDA 食品药品管理局许可,意味着 Ekso GT 能名正言顺用于治疗脊椎受损或中风患者。

Ekso Bionics 创始人 Russ Angold 回忆,在医疗领域崭露头角后,便开始有人问他,是否有针对工人的外骨骼装置,福特便是其中一家。

事实上,但举凡那些需要举起手臂、并长时间保持同姿势工作的人──如要肩扛巨大器材的摄影师、餐厅服务生或精密仪器维修的电工等,或多或少有手臂和肩部肌肉劳损,甚至蔓延到背部和腰部,对日常生活造成影响。

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福特汽车生产线使用的 EksoVest 外骨骼。

为了降低长期重複作业造成的身体损伤,自 2017 年起,福特汽车开始与 Ekso Bionics 合作,在美国两家工厂测试新的工业用外骨骼装置「EksoVest」,一年后,这种装置适用範围扩大至福特全球 15 个地区工厂。

如今,福特不是唯一一家将外骨骼装置运用到工厂生产线的公司。在加拿大胡士托市的丰田汽车工厂,同样有近 200 名工人同样使用 Levitate 公司的「Airframe」外骨骼协助超音波焊接的侦测工作,而 BMW 和波音公司的生产线也有类似产品的身影。

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 日本 Cyberdyne 公司研发的 HAL 外骨骼也在医疗领域使用多年。

可以说,对那些想保护工人、提高效率,并避免出现巨额医疗赔偿的工厂来说,这些外骨骼无疑是不错的帮手。

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 Levitate 公司开发的「Airframe」外骨骼。

工人尼克‧范德巴恩(Nic Vanderbaan)表示,41 岁的他已很难脱下外骨骼工作,这就像有人帮他托起手臂并保持固定,如果他想把手垂下来,托力也会渐渐消失。

至于在军事领域,外骨骼的相关研究则更早,各大国一直都在加强对外骨骼的研究力度。如今很多民用领域的外骨骼技术,如前文提到的 Ekso Bionics,本身也有非常深厚的军方背景。

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目前,知名军工企业洛克希德‧马丁公司开发的 ONYX 外骨骼系统,正计划今年下半年交付美军进行野外测试,目的并非增强战斗能力,而是减轻使用者腿部和背部负荷,中国同样展示过类似的原型产品。

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此外,美国陆军实验室也在探索「第三臂」概念,即使用外挂小型机械手臂当武器支架,缓解士兵的肌肉疲劳。

当痛点问题解决之后,外骨骼就逐渐成为这些产业切实的需求,但对大部分普通人来说,想要亲身接触到外骨骼仍不是容易的事。

普通人想拥有外骨骼依旧很难,成本就是个大问题

每家生产外骨骼的公司,都希望自家装置能更广泛普及。毕竟,如果它能让截肢或瘫痪者重新获得行走的能力,为什幺无法取代轮椅?

这涉及两个难点,一是高昂的成本,二是电池问题。

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2017 年,《华盛顿邮报》报导因手术失败导致下肢瘫痪的患者,当时她在康复中心藉助以色列 ReWalk 公司的外骨骼产品重新获得行动能力,但沟通理赔时却遭到保险公司拒绝,理由是「担心装置的安全性和实用性」,所以并未将外骨骼列入投保範围。

当时,一套 ReWalk Presonal 6.0 外骨骼套装的价格约为 8 万美元,Parker Hannifin 公司生产的 Indego 接近 10 万美元,至于前文提及的 Ekso GT 还更贵,大概 15 万美元,这远远超出一个家庭可负担的範围。

也因如此,目前大部分外骨骼公司的销售目标只能集中在大型康复中心、医院或是工厂,如果个人想购买,获得保险公司补贴会是不错的方法,但前提是保险公司承认。

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「他们对外骨骼的预期是,不仅能帮助人们恢复行走能力,还可以提供一定的医疗效用或帮助。」耶鲁大学放射学教授 Howard Forman 说,他认为目前外骨骼装置的定价,超过保险公司眼中的价值。

不过,一些外骨骼产品也会强调改善人体机能。如 ReWalk 产品介绍,就标注「可降低患者的体脂、改善肌肉对姿势的控制、平衡肠道及膀胱功能,并提高氧气代谢及心率」等字样。然而具体改善功效因人而异,故很难有明确的量化指标。

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此外,动力外骨骼往往内建大量侦测感测器和液压装置,如果不想拖着一根电线走来走去,唯一的办法就是自带电池,可现阶段多数装置仅能坚持数小时续航,限制了户外行动範围,在有限的体积下,堆电池肯定行不通。

残酷的现实是,假如一台外骨骼失去电源供应系统,和一堆废铁也没什幺差别,这也是为什幺至今仍很难在军事领域看到大规模使用外骨骼装置。

当然,已经有公司开始研究低成本,以及轻型化设计的外骨骼装置,使用更轻的材料、更紧凑的造型,或是引入 AI 技术,让这些机械支架更精準地辨识肢体动作。

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加州大学柏克莱分校和 SuitX 就曾做过不那幺奢侈的成品。两者合作的 MAX 将外骨骼分为背部、肩部和腿部,各零件定价不超过 5 千美元,买家可根据实际需要入手全套装置,也能只选其中一两件,金钱压力明显小不少。

之后,SuitX 还计划打造更多智慧化、低成本的外骨骼装置,比如帮运动员减少氧气消耗量,使其获得更长的跑步时间。

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在美国范德堡大学,工程师还研究出弹簧驱动的外骨骼装置。和几乎布满全身的金属支架不同,这个外骨骼只有踝关节部分,仅 400 多克重,加上不需要设计电池和动力系统,原型产品的成本仅 100 美元。

这和卡内基美隆大学之前发明的踝关节外骨骼十分相似,两者都宣称可减少使用者小腿肌肉的负担,缓解走路时承受的压力。

外骨骼走向商用的背后,也是人与机器关係的不断演变

据 ABI Research 研究报告,今天,整个外骨骼市场的硬体收入仅 1.92 亿美元,预计 2028 年会达到 58 亿美元规模。

除了工业、医疗和军事领域,外骨骼似乎还没有找到更合适的使用场景。这不仅是因为价格高低,还要回答能拿来干什幺的问题,总不能说,我们买外骨骼就是为了搬砖头吧?

何况在这些领域,外骨骼面对的竞争不仅有同行,还有其他新兴技术,比如成本同样在下降的 AI 智慧机器人。

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某些外骨骼可让需要长期站立工作的人享受坐「空气板凳」的便利性。

在仓储、物流和服务业等多个领域,AI 智慧机器人已能完全取代人类;而对追求效率、想全天候运作的工厂来说,一个能 24 小时不间断工作、不知劳累、甚至不会犯错的机器人,比人本身更吸引人。

也有人开始担心,外骨骼普及会衍生新矛盾。英国工程技术学会教授诺尔‧沙基(Noel Sharkey)接受 BBC 採访时就说:

7 月美国旧金山 Gray 艺术节,一群身穿外骨骼的人在黑暗风格浓郁的工业电子配乐下起舞,每个人的动作都高度一致,宛如提线木偶。

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真相是,在开演之前,举办方将事先编排好的舞蹈动作程式档导入每个外骨骼装置,这意味着观众看到的舞姿,都是由金属支架和液压缸组成的外骨骼决定,人不过是道具而已。

创作者路易斯─菲利普‧德默斯(Louis-Philippe Demers)说,他希望透过这场向义大利诗人但丁《地狱篇》致敬的表演,重新启发人们对技术、机器控制议题的思考。

但也有人另闢蹊径,选择把外骨骼变成内骨骼,直接和人体融合,变成组织的一部分。

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麻省理工学院的休‧赫尔(Hugh Herr)教授就把自己称为「仿生人」,他在某次登山事故失去了双腿,之后就接上包含人造电极的义肢,与大腿神经相连,以便更灵活地控制自己的「双脚」。

2014 年的 TED 演讲,他表达一个观点:

或许外骨骼的迷人之处,恰恰在于人类的全面参与感,就好像无论外穿铠甲的钢铁人,还是内长金属的金刚狼,意识都还是属于自己,无需拱手让贤智慧机器人,只是如果我们选择让自己全面机械化,人类还是人类吗?

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