“輕量化、智能化是機械外骨骼的進化趨勢。如果看向更長的時間尺度，仍在實驗室研發階段的仿生柔性外骨骼極具潛力，未來的機械外骨骼或許能像普通衣服一樣穿在身上。”
雖然不确定機械外骨骼會不會成為鋼鐵俠的機甲，但在工業領域成為未來的“電動螺絲刀”應該不成問題。“不同于工業機器人的專用型特點，機械外骨骼更像通用型裝置，隻要是人能做的工作，它都可以配合着人一起幹”
從發展趨勢判斷，機械外骨骼會更輕便、更智能、更柔性，但它能否普及、何時才會普及的關鍵不在于機械外骨骼本身，而是取決于基礎科學的進步，包括但不限于材料、電池、驅動方式和晶片技術等
ChatGPT最近給我們帶來新的思考，未來有可能讓機器自己去學習，然後去個性化适應使用者的行為習慣。ChatGPT是語言模型，能學習語言就意味着未來也可以學習動作。可以想見，機器軟體的适應度會是以變得更強
文 | 主持人 董雪 《瞭望》新聞周刊記者 許東遠 程思琪
在漫威系列作品中，鋼鐵俠是個特殊的存在，他不是靠基因變異獲得超能力，而是用鋼鐵機甲為凡人軀體賦能。本期“懂點科技”将向您展示已經走入真實生活的鋼鐵機甲。
它們又叫“機械外骨骼”，今年上半年因本色出演《流浪地球2》受到關注。《瞭望》新聞周刊記者體驗發現，穿上機械外骨骼類似于進入某種“人機協作”的狀态，既得到了機械的力量，又保持着人的主導性和靈活性，整體效果一加一大于二。
不同于科幻電影裡不計成本暢想颠覆性技術，這些現實中的鋼鐵機甲非常樸實：外形設計不華麗，采用黑灰色調，技術上追求實用、安全、節約成本，功能上以針對單個關節的外骨骼為主。
“輕量化、智能化是機械外骨骼的進化趨勢。如果看向更長的時間尺度，仍在實驗室研發階段的仿生柔性外骨骼極具潛力，未來的機械外骨骼或許能像普通衣服一樣穿在身上。”為《流浪地球2》提供機械外骨骼的科技企業傲鲨智能創始人徐振華說。
穿在身上的單關節外骨骼機器人
細心的觀衆會發現，《流浪地球2》中出現了三種機械外骨骼：
第一種最常見，士兵搬運物資時穿着單關節機械外骨骼作為背景出現，包括上肢、腰部、腿部三種；
第二種是酷炫的力量級機械臂，女主角韓朵朵在太空電梯穿上機械臂給了反派一拳絕殺；
第三種是影迷們非常喜歡的門框形态機器人，人穿上某種控制裝置，遠端操控機器人執行任務，仿佛賦予人一個功能強大的機械軀體。
毫無疑問，第一種是三者中結構最簡單的初級形态。記者采訪了解到，第一種也代表了現階段“機甲”的主流形态。
與大家想的一樣，“機甲”确實能讓人力量倍增，即使隻作用于單個關節。記者近日在傲鲨智能公司試穿了針對腰部的單關節機械外骨骼，搬起重物起身時，明顯感受到外骨骼給腰部施加了一個力，原本拎不動的30公斤重沙袋被輕松拎起，而且還有進一步加重的空間。而正常成年女性能拎起的重量一般在15公斤左右。
從技術層面分析，用機械給腰部一個力很簡單，難在什麼時候給力，給什麼方向的力、多大的力。如果力給慢了，穿戴者會感到機械很遲鈍，體驗差。如果力的方向給反了，不但不能助力，還會拖後腿。更要命的是，如果力給得太大，很可能拉扯腰部過度後仰，對人體造成傷害。
是以，機械外骨骼首先要具備偵測并預判人體動作的能力，這靠的是傳感器和軟體資料庫。
“傳感器相當于感覺器，軟體資料庫相當于‘大腦’。”徐振華說，“我們建立軟體資料庫，通過收集人各種各樣的動作，歸納整理出基本的動作運作模型。傳感器感覺到人體的運動狀态後，根據軟體資料庫預判人的下一步動作，然後快速施加輔助力。”
在采訪現場，記者看到有從業人員踩在一台儀器上模拟行走。徐振華介紹，這是在收集足底運動資訊，包括人站立或行走時的足底壓力分析、步态分析等。更多的時候，研發人員會直接穿着各類機械外骨骼做各類動作，利用機械外骨骼自帶的傳感器或後配上的特殊鞋墊收集動作資訊。一般來說，30人次到40人次的運動資料是一款機械外骨骼的基礎資料量。
研發人員自己的動作，是資料庫的重要組成。也有一些使用者願意貢獻出資料，幫助産品疊代更新。這些資料能讓機械外骨骼更好地适應不同使用者的需求。“我們在行業大資料庫下，還有面向不同公司的細分小資料庫。”徐振華說，“同一行業下不同公司的使用者動作有共通性，也會有一定的個性，比如某些助力角度不同。我們會根據各公司需求對動作運作模型進行調整。”
試穿腰部外骨骼有什麼美中不足？30公斤的重物雖然可以輕松拎起，但拎起後的重量依舊由人體承擔。就像有人幫忙把沙袋放到背上後松了手，記者感到背部負重明顯。
即便這樣，腰部外骨骼在物流等領域很受歡迎。徐振華介紹，物流人員需要重複性短距離搬運物品，彎腰起身頻率很高，且每次負重的時間很短，腰部外骨骼大大減輕了他們的工作強度。
另外，上肢外骨骼支撐的是肩臂，适用于需要手臂長時間托舉的工業應用，比如在汽車、高鐵、飛機等總裝線上輔助打鉚釘、裝線束、安裝配件的從業人員。下肢外骨骼則主要應用于負重行走、醫療康複訓練等場景。
全身型外骨骼觸碰技術天花闆
比單關節外骨骼更進一步的形态是全身型外骨骼，機械把整個人從肩膀到腳都包裹起來，更接近人們想象中的鋼鐵機甲。
美國的薩科斯機器人技術公司（Sarcos Robotics）2020年在國際消費類電子産品展覽會上展出了一款擁有24個自由度的全身型外骨骼機器人（自由度指的是機器人能夠獨立運動的關節數目），被業界視為技術天花闆一樣的存在。
這款外骨骼看起來有些笨重，仿佛把生産線上的工業機器人穿在了身上，整個人變寬一倍。不過根據展覽視訊，它的運動狀态遠比外形靈活，也解決了前述腰部單關節外骨骼需要穿戴者自身負重的問題。公開資料顯示，人穿上它能舉起200磅（約91公斤）的重物，實際感覺自己僅舉起10磅的重物。
“美國薩科斯的全身型外骨骼有一些商業化進展，比如造船廠用于零部件搬運，飛機制造商用于發動機渦輪葉片的安裝。”徐振華介紹，從國際前沿的應用來看，全身型機械外骨骼适用于更複雜的工業場景，比如除了搬起重物以外，還有非固定路線行走、協助安裝等需求，“它們走得比較慢，還不能跑跳。好在一些工業場景不需要快速行動，這個缺點可以被局部接受。”
總體上看，全身型外骨骼機器人在市場上的應用還比較少，價格、自重、使用難度超出接受範圍，還需要進一步技術疊代。
以傲鲨智能為例，他們的第一款全身型外骨骼機器人最近推出。風格上延續了單關節外骨骼簡約低調的風格，有點像把上肢、腰部和腿部等單關節外骨骼組合起來，定制它的客戶是高校，用作科研。
徐振華具體介紹說，一是現在的全身型外骨骼機器人價格昂貴，科研領域和醫療領域零星購買或許可以接受，工業領域批量化應用還很難。二是自重對機械外骨骼的影響非常大，品質越大慣性越大，對人體運動的阻礙越大，功耗也會增加。三是使用穿戴需要經過專業教育訓練，它們的關節數量更多，意味着人要适應的外骨骼數量更多，技術功能和安全要求也更多。
另外，《流浪地球2》中的門框形态外骨骼機器人，現在工業領域也有一些初級形态，礦山、港口等場景下遠端操控的機械裝置較為典型。比如操作者遠端操控港口的吊機，操作者能以第一視角看到吊機所在的環境，吊機也會根據人的指令完成相應任務。差距在于，人與機械的通聯程度低，且機械能做的事情單一。
外骨骼機器人在現實中使用 受訪者供圖
工業領域未來的“電動螺絲刀”
關于機械外骨骼的起源可以追溯到20世紀，當時處于純粹去驗證這個東西是否可行的學術階段。徐振華告訴記者，随着硬體技術和軟體工具進步，他在2017年感受到機械外骨骼發展加速，市場化步伐加快。最先是用到醫療領域幫助人體康複訓練，随後作為人機協作裝置擴充到工業領域，國際上有名的企業主要有美國機器人企業薩科斯、德國假肢供應商奧托博克、日本外骨骼制造商Atoun等。
雖然不确定機械外骨骼會不會成為鋼鐵俠的機甲，但在工業領域成為未來的“電動螺絲刀”應該不成問題。“不同于工業機器人的專用型特點，機械外骨骼更像通用型裝置，隻要是人能做的工作，它都可以配合着人一起幹。”徐振華分析。
從發展趨勢判斷，機械外骨骼會更輕便、更智能、更柔性，但它能否普及、何時才會普及的關鍵不在于機械外骨骼本身，而是取決于基礎科學的進步，包括但不限于材料、電池、驅動方式和晶片技術。
——更輕便，需要軟硬體共同發力。記者采訪了解到，影響機械外骨骼自重的不隻是材料，結構設計和算法更加重要。結構設計包括傳感器、電機布局等，“如果可以減少傳感器的數量，就可以減少很多結構，自重自然就輕了”。算法對功耗起着決定性作用，差的算法會特别耗電，進而需要更大的電池容量。
——更智能，人工智能将發揮作用。“我們現在是人工設定一個标準化運作模型去适應不同客戶。ChatGPT最近給我們帶來新的思考，未來有可能讓機器自己去學習，然後去個性化适應使用者的行為習慣。”徐振華說，“關于ChatGPT在機械外骨骼領域的應用，我們還處于偏早期的研究。我們的技術合作方和業界技術大牛普遍認同，人工智能可以學習語言，就意味着未來也能學習動作。”
可以想象，如果類似ChatGPT的大動作模型誕生，現在靠人力歸納調整動作運作模型的方式或許會被改變，人工智能将在更大的資料量、更精細的尺度上學習人的動作特征。機械外骨骼可能是以出現兩個變化，一是基礎能力增強，即更快、更精準地識别出穿戴者的更多動作，二是個性化增強，不再是适應某類工種的動作特征，而是比對每個人的行為習慣。“‘比對’對機械外骨骼來說非常關鍵，探索人工智能手段是讓機械外骨骼更好地比對人。”徐振華說。
——更柔性，寄希望于仿生技術進步。徐振華介紹，柔性驅動方式主要是用鋼絲、尼龍等線繩模仿人體肌肉布局，再用電機驅動這些線繩，目前還在實驗室階段。“如果柔性驅動方式未來能普及，外骨骼會做得更輕巧，更貼合人體。”
采訪的最後，徐振華告訴記者一個他經常被問到的問題：機械外骨骼是不是機器人的過渡階段？
他的回答是：這是兩種不一樣的東西，它們的發展是并行的。
2004年徐振華在上海交通大學讀書時，還沒有機械外骨骼的概念，單純是研究機器人。後來他發現，很多事情是機器人做不了的，為什麼不能人和機器協同呢？在機械外骨骼領域探索多年後，他的觀點更加明确：即使是在未來，依舊有很多事情需要人來完成，而輔助人就是機械外骨骼存在的意義。■