外骨骼：大有用武之地

肖優(yōu)明

外骨骼指的是一種能夠?qū)ι锶彳泝?nèi)部器官提供構(gòu)型、建筑和保護(hù)的堅(jiān)硬外部結(jié)構(gòu)，一般將蝦蟹和昆蟲(chóng)等節(jié)肢動(dòng)物體表堅(jiān)韌的幾丁質(zhì)的骨骼稱(chēng)為外骨骼，有時(shí)也指軟體動(dòng)物的貝殼和棘皮動(dòng)物石灰質(zhì)的板和棘，能對(duì)身體起到保護(hù)和支持作用。

從科幻到現(xiàn)實(shí)生活

動(dòng)力外骨骼是一種能夠增強(qiáng)人體能力的可穿戴機(jī)器，最初以機(jī)械或電子設(shè)備形式出現(xiàn)在《極樂(lè)空間》等科幻小說(shuō)和電影中，近年來(lái)現(xiàn)身于一些實(shí)驗(yàn)和真實(shí)情境中。外骨骼結(jié)構(gòu)雖然是一個(gè)規(guī)模相對(duì)較小的機(jī)器人市場(chǎng)，但是現(xiàn)在有越來(lái)越多的公司加入進(jìn)來(lái)。已經(jīng)從最初的醫(yī)療和軍事用途拓展到日常應(yīng)用場(chǎng)景，比如增加員工的生產(chǎn)效率，甚至是幫助老年員工延長(zhǎng)工作時(shí)間。

外骨骼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用始于醫(yī)學(xué)和軍事領(lǐng)域。日本生化人公司早在1997年就已經(jīng)將一種腿部支撐結(jié)構(gòu)用于一些醫(yī)院中，幫助那些受傷的病人進(jìn)行恢復(fù)。在2011年福島海嘯之后，這種名叫“綜合下肢助力”的外骨骼結(jié)構(gòu)也被用于重建和救援工作中。因?yàn)檎追垒椛浞亓窟_(dá)到60公斤，普通人無(wú)法穿戴這樣的設(shè)備連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，所以外骨骼支撐結(jié)構(gòu)成了必要的輔助。

美國(guó)國(guó)防部投資290萬(wàn)美元和哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室嘗試開(kāi)發(fā)的“軟性外骨骼結(jié)構(gòu)”，頗受關(guān)注。與其他外骨骼結(jié)構(gòu)使用金屬和強(qiáng)大機(jī)械馬達(dá)不同，這種可理解為一條可以貼身穿著的“運(yùn)動(dòng)緊身”裝備只起到基本的支撐作用，旨在讓中風(fēng)患者或者其他肌肉力量低于正常人的人可以更自然地行走和運(yùn)動(dòng)。支撐作用通過(guò)特殊的液體材料實(shí)現(xiàn)，該材料能根據(jù)彎折程度改變彈力。

德國(guó)寶馬汽車(chē)公司在依賴(lài)使用機(jī)械手臂減少人工操作的同時(shí)，也在為工人研發(fā)外骨骼支撐設(shè)備。該公司和慕尼黑大學(xué)合作，給員工分發(fā)一種3D打印定制的手套，能夠幫助大拇指完成重復(fù)性的生產(chǎn)動(dòng)作。

日本松下公司研制出一種輕便版的外骨骼支架，工人穿上之后可以輕松地到處負(fù)重移動(dòng)。通過(guò)在背部、大腿、小腿到腳部的區(qū)域里用碳纖維材料支撐，配合著可以由傳感器喚醒的動(dòng)力馬達(dá)，能夠輕松地幫人負(fù)重15公斤工作。

韓國(guó)大宇造船公司引進(jìn)松下設(shè)計(jì)的上肢支撐外骨骼Kubota后，造船工人能提舉起30至100公斤的重物。韓國(guó)造船業(yè)向來(lái)以機(jī)械化程度高而聞名，這個(gè)機(jī)械臂使得僅存的人工操作變得更像機(jī)器生產(chǎn)。

松下將要發(fā)布它和奈良子公司一起開(kāi)發(fā)的新外骨骼外套，這個(gè)更強(qiáng)勁的完整外骨骼結(jié)構(gòu)像鋼鐵俠，據(jù)說(shuō)能夠?qū)崿F(xiàn)100公斤負(fù)重。它讓人類(lèi)能夠適應(yīng)更緊張的工作環(huán)境，與此同時(shí)也使人類(lèi)扮演了機(jī)器的中樞控制系統(tǒng)的角色。

“我們希望未來(lái)15年之內(nèi)，這種外骨骼結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)機(jī)械外套，能廣泛地應(yīng)用在人們的生活之中。”松下新聞發(fā)言人表示，“我們預(yù)計(jì)在快遞、建造業(yè)和伐木這些勞動(dòng)強(qiáng)度較大的行業(yè)，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)有廣泛的應(yīng)用空間。”

“無(wú)形座椅”舒適愜意

如果有一天你在公交車(chē)上或地鐵里看到有人采用半蹲的姿勢(shì)，不要以為對(duì)方在見(jiàn)縫插針地“練功”，實(shí)際上處于坐著休息的狀態(tài)。他們使用的是瑞士蘇黎世初創(chuàng)企業(yè)Noonee公司一款名叫“無(wú)形座椅”（Chairless Chair）的新產(chǎn)品，讓人不用帶著椅子就能夠隨時(shí)隨地坐下來(lái)。這款“不是椅子的椅子”其實(shí)可以算作一款外骨骼裝備，穿戴在身上之后很服帖，如同身體額外長(zhǎng)出的骨頭一樣，一經(jīng)公布就備受關(guān)注。

使用“無(wú)形座椅”不需要接觸地面，佩戴者用腰帶將其固定在臀部、大腿及腳后側(cè)，平時(shí)不影響走路。累了時(shí)候只需彎曲膝蓋，降低到想坐的位置，然后按下激活按鈕，上下支架會(huì)鎖定到一個(gè)支撐的位置，就可以坐在屁股上的坐墊上休息。特別值得一提的是，使用者想怎么坐就怎么坐，能根據(jù)自己的習(xí)慣和需求調(diào)整坐姿。休息好了想站起來(lái)，也是按一下按鈕。6伏電池一次性充電，可提供8小時(shí)不間斷的工作效能。

“無(wú)形座椅”以蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)生物模仿機(jī)器人研究所發(fā)明的研究成果為基礎(chǔ)，與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合研究而成。整體框架使用鋁和碳纖維材料，重量大約2公斤。利用一個(gè)便攜的可調(diào)阻尼器來(lái)承受使用者的重量，以減輕腿部肌肉和關(guān)節(jié)的負(fù)荷。身體重量被導(dǎo)向鞋后跟，而無(wú)形座椅與鞋跟相連，穿著它到處走動(dòng)不會(huì)感到很重。由于運(yùn)用了人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)原理，將椅子的重量均勻地分布到腿上，因此對(duì)走路沒(méi)有什么影響，該怎么走就怎么走，甚至穿著它跳舞也沒(méi)有問(wèn)題。

在談到“無(wú)形座椅”的設(shè)計(jì)創(chuàng)意時(shí)，Noonee公司首席執(zhí)行官基斯·古魯拉表示和自己早年的經(jīng)歷有關(guān)。他12年前讀書(shū)時(shí)曾在英國(guó)一家工廠的包轉(zhuǎn)流水線(xiàn)做暑期工，每天都要站著工作十幾個(gè)小時(shí)，很少有時(shí)間可以坐著休息，感覺(jué)很累。據(jù)古魯拉調(diào)查，在全球各地工廠、裝配線(xiàn)和配送中心工作的員工中，有數(shù)百萬(wàn)人因承受著與肌肉相關(guān)病痛而苦不堪言。由于需要不停地彎腰或蹲伏，有的落下了嚴(yán)重的腰、背和膝關(guān)節(jié)疾患。

“大部分工人幾乎沒(méi)有休息時(shí)間，工廠很少為他們提供太占地方的座椅。人體下肢會(huì)因?yàn)檫B續(xù)站立數(shù)小時(shí)而嚴(yán)重不適，于是想到了隨身綁上一把不顯眼的椅子。”古魯拉在接受采訪(fǎng)時(shí)表示。“如果擁有這樣的椅子，盡管在擁擠不堪的火車(chē)車(chē)廂里，旅途仍然會(huì)變得更加舒適。對(duì)于零售商店的柜臺(tái)服務(wù)員、采摘水果的農(nóng)民和手術(shù)室里的外科醫(yī)生等其他職業(yè)的工作者，給他們配一張椅子不切合實(shí)際，而‘無(wú)形座椅是最合適不過(guò)的了。”

經(jīng)過(guò)十幾年的努力，Noonee公司的研究人員終于開(kāi)發(fā)出可以解決這個(gè)問(wèn)題的“無(wú)形座椅”。產(chǎn)品采用了一種可穿戴的機(jī)電一體化系統(tǒng)，就像一副可活動(dòng)的骨架，讓人們可以在任何地方想坐就坐。“無(wú)形座椅”的目的在于疲勞時(shí)可提供重量支撐，而不是連續(xù)地承擔(dān)重量。有了這款產(chǎn)品，工人既能保證生產(chǎn)效率，同時(shí)也不會(huì)那么容易感到疲憊了，畢竟累了就能坐著休息休息。

“無(wú)形座椅”目前還沒(méi)有投放市場(chǎng)，Noonee公司將首先在寶馬和奧迪等汽車(chē)公司的生產(chǎn)線(xiàn)員工中測(cè)試該產(chǎn)品。在未來(lái)的更新?lián)Q代產(chǎn)品中，古魯拉計(jì)劃將“無(wú)形座椅”變得更加智能化，無(wú)需使用者按按鈕，產(chǎn)品就可以自動(dòng)感知使用者的意圖。

MAX模塊強(qiáng)化身體endprint

美國(guó)加州伯克利市初創(chuàng)公司suitX公司和加州大學(xué)伯克利分校的機(jī)器人及人體工程學(xué)研究室一起，設(shè)計(jì)和制造了外骨骼機(jī)器人“鳳凰”（suitX Phoenix），能夠支撐起殘疾人身體并且?guī)椭玖⑿凶摺Ｔ谝淮卧揭膀T行中，桑切斯意外地失去了雙腿。但隨后，他被送到SiutX公司。一個(gè)半小時(shí)后，“鳳凰”機(jī)械骨骼套件讓他重拾自信，獲得了與正常人一樣自由行走的能力。

這套外骨骼采用了多部件組合設(shè)計(jì)，每一個(gè)部分可以自由調(diào)整，無(wú)論用戶(hù)高矮胖瘦，都能提供最為合適的規(guī)格。“鳳凰”內(nèi)置電機(jī)，可幫助用戶(hù)矯正運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)，步行速度達(dá)到每小時(shí)1.8公里。它內(nèi)置充電電池，每次充滿(mǎn)電后的續(xù)航時(shí)間為8小時(shí)。在對(duì)應(yīng)的APP上，還可以監(jiān)測(cè)使用者的健康數(shù)據(jù)。

“鳳凰”可以稱(chēng)之為目前最先進(jìn)的外骨骼機(jī)器人，整套重量?jī)H為12.25公斤，可以按照個(gè)人不同的需求進(jìn)行私人定制。它于六年前開(kāi)發(fā)出來(lái)，去年3月上市，售價(jià)40000美元。盡管還有待改善，但這樣的設(shè)計(jì)給殘疾人帶來(lái)了溫暖與希望。

提到外骨骼，我們常常會(huì)想到它幫助殘疾人重獲新生，但實(shí)際上，外骨骼的用途非常廣泛。對(duì)于建筑工人或者其他從事重體力勞動(dòng)的人，過(guò)度勞累會(huì)嚴(yán)重?fù)p害身體，而外骨骼能夠大大減輕工作強(qiáng)度。suitX公司新上市的MAX就是專(zhuān)為體力勞動(dòng)者設(shè)計(jì)的外骨骼。它包括支撐背部（backX）、支撐腿部 （legX）和支撐肩部（shoulderX），可以分擔(dān)重量，減少肌肉損傷，并增強(qiáng)舒適感。用戶(hù)幾分鐘就可以學(xué)會(huì)如何使用這些模塊，根據(jù)工作需要隨意組合，一分鐘內(nèi)就能裝備完畢。

外骨骼的存在不是為了彰顯自身，而是幫助工人強(qiáng)化自己的身體，MAX 的三個(gè)模塊提供了一個(gè)輕量化的簡(jiǎn)單方案，解決工人過(guò)度勞累的問(wèn)題。其中l(wèi)egX擁有計(jì)算能力，能夠感知工人彎腿的角度，并提供相應(yīng)的支撐。BackX和shoulderX完全機(jī)械化，主要是分擔(dān)工人承受的重量。在外骨骼的幫助，工人還能夠舉起更重的物品。目前，MAX的價(jià)格并不便宜，backX和shoulderX的售價(jià)都是3000美元，而legX的售價(jià)是5000美元。

“我與美國(guó)和日本的工人進(jìn)行了大量交流，聆聽(tīng)他們的建議，不斷修改外骨骼的設(shè)計(jì)，與此同時(shí)還在加州伯克利分校的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，backX能夠分擔(dān)工人66%的工作量。” 加州伯克利分校機(jī)械工程教授兼suitX創(chuàng)始人和首席執(zhí)行官霍麥揚(yáng)·卡扎魯尼靈表示，“對(duì)于那些想要保護(hù)工人，或者避免醫(yī)療賠償?shù)墓緛?lái)說(shuō)，MAX無(wú)疑是一個(gè)好東西。現(xiàn)在有一些工廠以及碼頭、建筑工地、倉(cāng)庫(kù)等工作場(chǎng)所定購(gòu)了MAX，飛機(jī)制造商波音公司也是客戶(hù)之一。”endprint