在《鋼鐵俠》中,電影主人公研制了一種動力裝甲,穿上之后力大無窮且能夠自由飛行。在好萊塢科幻大片《明日邊緣》中,湯姆克魯斯和士兵們穿上外骨骼之后成為了超級戰(zhàn)士,戰(zhàn)斗力瞬間提升數(shù)倍。
實(shí)際上,外骨骼并不是科幻電影中憑空想象出的產(chǎn)物,其發(fā)展史可上溯到19世紀(jì)。英國著名插畫師Robert Seymour曾于1830年畫出《Walking By Steam》。
該作品描繪了以蒸汽為動力的行走輔助裝置,成為了當(dāng)代動力外骨骼技術(shù)的雛形,更啟迪了后來者對機(jī)器人概念的進(jìn)一步探索。
1890年,俄羅斯人尼古拉斯·亞根發(fā)明了一種以壓縮空氣包為動力的外骨骼系統(tǒng),能夠輔助人們完成行走跑跳等動作。1917年,美國發(fā)明家萊斯利·凱利發(fā)明了以蒸汽為動力的外骨骼“Pedomotor”。1970年,通用電氣設(shè)計(jì)了包含30多個(gè)關(guān)節(jié),能舉重1500磅的Hardman系統(tǒng)。
到了20世紀(jì)末,電子技術(shù)、傳感器技術(shù)與控制技術(shù)都取得了飛躍性的發(fā)展,外骨骼的發(fā)展也被帶動有了大的提升。美國軍火巨頭雷神公司收購了Sarcos開發(fā)的XOS外骨骼系統(tǒng),該系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行器、控制器和高壓液壓系統(tǒng)組成,能使穿戴者輕而易舉地舉起重量上百磅的物體。
近年來,外骨骼的用途愈加廣泛,新的設(shè)備不斷涌現(xiàn)。如中國的認(rèn)知外骨骼機(jī)器人、美國的“勇士織衣”、俄羅斯的“士兵-21”、法國的“大力神”等,這些外骨骼設(shè)備融合了電子、生物、傳感等新技術(shù),可以說代表了可穿戴智能設(shè)備未來的發(fā)展方向。
外骨骼來源于生物學(xué),一般將蝦、蟹、昆蟲等節(jié)肢動物體表堅(jiān)韌的幾丁質(zhì)的骨骼稱為外骨骼。經(jīng)過研究,人類已經(jīng)制造出不少性能優(yōu)質(zhì)的外骨骼,不僅能為人類提供保護(hù),還能根據(jù)肢體活動對關(guān)節(jié)動作進(jìn)行感應(yīng),提供額外動力,使人類的力量更淋漓盡致地得以發(fā)揮。
外骨骼的特性使其在軍事和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被重視。1997年,日本Cyberdyne公司就將腿部支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于日本一些醫(yī)院中,幫助病人進(jìn)行恢復(fù)訓(xùn)練,并且該公司用了10年時(shí)間將其研制的外骨骼機(jī)器人“HAL”推向市場,旨在輔助殘障者和傷患復(fù)健。此外,以色列的Rewalk、美國的Ekso也在這一領(lǐng)域相當(dāng)出色。
與美國、日本等國相比,我國對于外骨骼技術(shù)的研究較晚,發(fā)展也相對緩慢,但路徑基本一致,也是從軍用走向商用。
2013年,軍區(qū)總醫(yī)院博士后工作站發(fā)布了“單兵負(fù)重輔助系統(tǒng)”,用于壓縮負(fù)重,能與穿戴者動作迅速同步。盡管被認(rèn)為是目前國內(nèi)最完善的外骨骼裝置,但功能相對單一,負(fù)重能力和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)皆需提升。
2014年,中科院設(shè)計(jì)研發(fā)了EXOP-1外骨骼系統(tǒng)。與之前的設(shè)備相比,減輕了穿戴者的負(fù)擔(dān),但體積仍相對笨重,短期內(nèi)難以投入使用。
今年,邁克機(jī)器人發(fā)布了BEAR-H1外骨骼裝置,采用了柔性驅(qū)動器作為輸出,能幫助坐在輪椅上的殘疾人重新站立行走。
除了醫(yī)療和軍事領(lǐng)域,外骨骼機(jī)器人還有其他的作用。例如在建筑行業(yè),可以幫助建筑工人節(jié)省體力。在傳統(tǒng)的汽車制造業(yè),對重復(fù)性的生產(chǎn)工作效率的提高極為有效。如寶馬公司和慕尼黑大學(xué)合作研發(fā)了一款3D打印定制的手套,能幫助大拇指完成重復(fù)性的生產(chǎn)動作。
若是外骨骼設(shè)備加上柔性驅(qū)動器,就能在人機(jī)交互的場景中發(fā)揮出極大的作用。無需力與力矩傳感器也能實(shí)現(xiàn)力反饋,從而提升力控制的穩(wěn)定性和精度,提升安全性并節(jié)省能量消耗。
如BEAR-H1外骨骼機(jī)器人,其最大的特點(diǎn)在于采用了柔性驅(qū)動器作為輸出,并且是全球首款。目前市面上現(xiàn)有的包括美國、日本的外骨骼機(jī)器人,都是采用的剛性驅(qū)動器。
此外,外骨骼設(shè)備中的傳感器可以檢測到人體的運(yùn)動狀態(tài),并根據(jù)AI算法預(yù)測人體意圖,這些信息都能被采集并用于對機(jī)器人的控制。
甚至在媒體行業(yè),外骨骼設(shè)備也得到了應(yīng)用。在兩會上,就有記者扛著外骨骼設(shè)備進(jìn)行報(bào)道。
由此可見外骨骼應(yīng)用范圍之廣,而實(shí)際上,外骨骼行業(yè)確實(shí)也蘊(yùn)藏著極大的機(jī)遇。然而作為一個(gè)處在初級發(fā)展階段的行業(yè),想要分得大市場中的蛋糕,還需要一個(gè)漫長的過程。
在AI等先進(jìn)技術(shù)崛起的背景下,外骨骼設(shè)備市場蘊(yùn)藏著巨大的機(jī)會。根據(jù)賽智產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測,未來5年內(nèi),醫(yī)用機(jī)器人的年復(fù)合增長率約為37%,其中康復(fù)機(jī)器人的年復(fù)合增長率達(dá)21%,外骨骼機(jī)器人年復(fù)合增長率為47%,遠(yuǎn)高于其他類別的醫(yī)用機(jī)器人的平均增長速度,預(yù)計(jì)未來的市場容量可達(dá)千億級別。
而ReportsnReports發(fā)布的全球預(yù)測顯示,到2023年,外骨骼市場價(jià)值規(guī)??赡軐⑦_(dá)到28億美元,遠(yuǎn)超2017年的2.998億美元。
巨大的增幅背后,反映了越來越多的行業(yè)對外骨骼技術(shù)做好了接納準(zhǔn)備。松下新聞發(fā)言人MioYamanaka在接受采訪時(shí)表示,外骨骼的應(yīng)用領(lǐng)域可能遍及快遞、建造業(yè)和伐木這些勞動強(qiáng)度較大的行業(yè)。
在中國,外骨骼設(shè)備的商用尚處于起步階段。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,未來中國的外骨骼機(jī)器人市場將保持每年50%左右的增速,預(yù)計(jì)到2021年,市場規(guī)模將增長到140億元。
作為人口大國,外骨骼在中國將會有很大的發(fā)展,其主要原因也與中國市場的特點(diǎn)有很大的關(guān)系。
首先,中國加速進(jìn)入老齡化社會,腦中風(fēng)等疾病發(fā)病率增高,目前中國中風(fēng)病人數(shù)量已超出1000萬,并以每年10%的速度增加,而在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家情況則更為嚴(yán)重。此外,醫(yī)療資源不足也是重要原因。尤其是康復(fù)理療人才緊缺,根據(jù)病人數(shù)量需要40萬左右的理療師,可從業(yè)者只有兩萬左右,缺口巨大。
雖然前景可觀,但市場的蛋糕卻不好分。
外骨骼技術(shù)處于初級階段,門檻高,導(dǎo)致研發(fā)和制造成本高昂。此外,醫(yī)療行業(yè)并未將外骨骼設(shè)備納入醫(yī)保體系,所以普通家庭難以承受。
以日本的Cyberdyne和以色列的Rewalk為例,售價(jià)平均在60~100萬元,甚至有的產(chǎn)品價(jià)格高達(dá)250萬元人民幣,一般只能通過租賃的方式供人使用。
從商用角度來看,美國的EKSO、以色列的Rewalk均已拿到了美國FDA認(rèn)證并進(jìn)入上市階段,而中國盡管也有不少上市公司和創(chuàng)業(yè)公司進(jìn)入該領(lǐng)域,但并未有獲得FDA認(rèn)證的企業(yè),也未有產(chǎn)品進(jìn)入到商用階段。
毫無疑問,外骨骼設(shè)備將在未來發(fā)揮更加廣泛的作用,幫助人類提升生活質(zhì)量。但想要實(shí)現(xiàn)美好愿景,首先要跨越眼前的障礙,還要考慮未來在人機(jī)一體化趨勢中人類所處的位置。如果能夠突破目前的一些瓶頸,外骨骼裝置將轉(zhuǎn)變?yōu)锳I機(jī)器人,它們會將人類的聽覺、觸覺、力量、意識等進(jìn)一步放大,增加人類的各項(xiàng)能力。
前路艱難但值得探索,不過未來或許會出現(xiàn)更深層次的問題,比如涉及人和機(jī)器相處的法律、倫理方面的問題,這不僅是外骨骼邊界問題,更是對人性深層的反思。
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