以往爬樓送餐喘粗氣，如今負(fù)重百斤如履平地

　　錚錚“鐵骨”讓外賣小哥平添驚人神力

　　近日，上海街頭這樣一幅景象引起不少人好奇圍觀：一位外賣小哥背著摞起來有一人高的外賣箱，行走、爬樓身輕如燕，仔細(xì)觀察，他的身上裝著一副類似鐵甲的機(jī)械外骨骼。

　　據(jù)報道，這套外骨骼機(jī)甲裝備是某外賣平臺的測試設(shè)備，主要使用場景是高峰期外賣騎手爬樓梯或是在不能騎行電瓶車的區(qū)域送餐。

　　該裝備的制造商在微博上解釋稱，外賣小哥在工作時，背負(fù)的重量可經(jīng)由機(jī)械裝置傳導(dǎo)到地面，不論背負(fù)的物體有多重，人體主要承擔(dān)操作力，肩膀承擔(dān)的力約為5—10公斤，力量一經(jīng)分散，外賣騎手背著100斤的東西就像背著一臺筆記本電腦，可以很輕松地行走。

　　這一事件引發(fā)了網(wǎng)友熱議：這不是科幻電影中的場景嗎，這么快就走進(jìn)現(xiàn)實了？更讓人疑惑的是，機(jī)械外骨骼設(shè)備是如何打造的，為什么能讓人在負(fù)重情況下依舊行動靈活？

　　可將人類力量和速度放大上千倍

　　據(jù)了解，機(jī)械外骨骼也稱動力外骨骼，是一種由鋼鐵及其他材料框架構(gòu)成的機(jī)械裝置，它源于生物學(xué)中外骨骼的概念，如軟體動物蝦、蟹的甲殼等。這個裝備可以為人體提供額外的能量，供四肢運動，其本質(zhì)就是將人類本身的力量和動作速度放大幾倍甚至上千倍。

　　機(jī)械外骨骼的研究最早始于20世紀(jì)60年代，1966年美國通用公司提出了哈德曼助力機(jī)器人的設(shè)想并開始研發(fā)，當(dāng)時制造出的電機(jī)驅(qū)動裝置可以幫助人類輕易舉起近百斤的重物，雖然這一項目后來由于經(jīng)濟(jì)原因停滯，但這一裝置成為了今天機(jī)械外骨骼的雛形。

　　一般而言，常見的機(jī)械外骨骼主要由4部分組成，即軟件控制系統(tǒng)、機(jī)械支撐系統(tǒng)、動力系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械外骨骼需要與人體聯(lián)動，在極短的時間內(nèi)判斷出使用者的動作意圖，并且給予恰如其分的幫助。

　　例如，裝備好可穿戴機(jī)械外骨骼以后，當(dāng)使用者試圖搬運重物時，手肘會發(fā)生彎曲，上臂的肌肉纖維組織緊靠在一起，從而牽動肌鍵運動，直觀表現(xiàn)就是肌肉隆起。這時，與皮膚相接觸的壓力傳感器通過采集肌肉收緊的強(qiáng)度和方向信息，可以感應(yīng)到使用者的動作意圖。它會把收集得到的數(shù)據(jù)資料傳達(dá)給位于軟件控制系統(tǒng)的信息處理器，計算出如何移動外骨骼可讓使用者自身用力最小，然后再把指令傳遞到機(jī)械支撐系統(tǒng)中相應(yīng)的關(guān)節(jié)，通過關(guān)節(jié)內(nèi)部的液壓機(jī)構(gòu)傳動裝置產(chǎn)生精確的力量，從而做到與人的動作同步。整個過程中，由動力系統(tǒng)來提供電力等能源支撐。

　　寶雞易能特電子科技有限公司總經(jīng)理劉啟帆表示，如果把使用者比作機(jī)械外骨骼的中心處理器，那么機(jī)械外骨骼可以看作是使用者肢體的延伸，這種人機(jī)合一協(xié)作模式能夠?qū)ν话l(fā)狀況或者未知環(huán)境迅速做出正確有效判斷，并且實時根據(jù)人的判斷做出響應(yīng)。這個過程理論上是有一點時滯的，但是機(jī)械外骨骼以每秒數(shù)千次的速度調(diào)整裝備的每一個關(guān)節(jié)，能夠像影子一樣跟隨人的動作，讓使用者幾乎察覺不到時滯的存在。

　　助力外賣小哥只是牛刀小試

　　這么“高大上”的裝備只用來送外賣是不是大材小用？除了應(yīng)用于負(fù)重和物流外，機(jī)械外骨骼還能給我們帶來什么驚喜？

　　據(jù)浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授楊燦軍介紹，從用途來看，機(jī)械外骨骼系統(tǒng)大致可以分為兩類，一類是控制型，一類是增力型。

　　控制型機(jī)械外骨骼是將人的靈活統(tǒng)治能力傳遞給機(jī)器裝置，主要應(yīng)用于人類自由活動難度較大的領(lǐng)域，例如對空間機(jī)器裝置的人機(jī)耦合控制、深海作業(yè)、山體滑坡搜救或是排雷等。目前多采用的是無線控制型機(jī)械外骨骼，包括一個外骨骼動作捕捉衣和一臺機(jī)械裝置。使用者穿戴動作捕捉衣，動作捕捉衣可實時采集人體上各關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為信息指令傳送到機(jī)械裝置上，機(jī)械裝置可根據(jù)信息指令對人體的肢體運動進(jìn)行實時模仿跟隨，機(jī)械裝置更接近于人直接作業(yè)形態(tài)。

　　而增力型機(jī)械外骨骼，常見為可穿戴型裝備，主要應(yīng)用在肌力增強(qiáng)、運動康復(fù)和國防軍工等領(lǐng)域，比如輔助殘疾人或老年人行走的機(jī)械外骨骼，以及美軍的單兵機(jī)械裝備。2004年，日本筑波大學(xué)教授山海嘉之成立了Cyberdyne公司，第二年就推出了一款混合輔助假肢（HAL），該裝置重達(dá)23公斤，其充電電池的續(xù)航時間接近2小時40分鐘，可通過探測到皮膚表面電信號，指令動力裝置控制肌肉和骨骼的移動。在HAL的幫助下，使用者不僅可以進(jìn)行正常的日常生活，還可以完成站立、步行、攀爬、抓握、舉重物等高難度動作。

　　那么，機(jī)械外骨骼需要根據(jù)使用者量身打造嗎？

　　首先，控制型機(jī)械外骨骼由于機(jī)械裝備并未與人體直接貼合，所以個體差異并不會影響它的使用。而增力型機(jī)械外骨骼則要視情況而定。

　　專家解釋說，用于康復(fù)治療的機(jī)械外骨骼是針對肌體功能缺失需要進(jìn)行外部輔助恢復(fù)的行動障礙人群，不同的肌體恢復(fù)需要有針對性設(shè)計，在使用機(jī)械外骨骼進(jìn)行訓(xùn)練時，醫(yī)生為需要針對不同病患設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，然后才能利用機(jī)械外骨骼幫助患者進(jìn)行一步一步的重復(fù)性訓(xùn)練，無法做到通用。而單純的增力型機(jī)械外骨骼則是把機(jī)器裝置綁在人身上，實現(xiàn)功能最大化，它針對的是行動功能正常的人，隨著技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)能夠做到通用化、批量使用。

　　大規(guī)模應(yīng)用需要再過幾道關(guān)

　　想要實現(xiàn)機(jī)器外骨骼的大規(guī)模應(yīng)用，還要克服研發(fā)過程中出現(xiàn)的困難。

　　劉啟帆介紹，難點之一是能源供給系統(tǒng)。機(jī)械外骨骼裝備要求持久、高效、安全的能源供給，尤其是室外應(yīng)用的機(jī)械外骨骼，通常難以獲得外部能源供應(yīng)。因此，能否實現(xiàn)可靠、超強(qiáng)續(xù)航能力的動力能源供應(yīng)，是機(jī)械外骨骼能否實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的核心問題之一。此前，美國伯克利大學(xué)研究的動力源，以背包的形式背在使用者身上，但是體積很大，重量也不輕，長時間負(fù)重不可避免地會加劇使用者的負(fù)擔(dān)。

　　以蓄電池作為動力源的機(jī)械外骨骼，工藝難度低、噪聲小，但續(xù)航時間短、輸出功率低；而采用液壓驅(qū)動的動力源，雖然可提供較大的功率和相對較長的續(xù)航時間，但噪聲、振動、發(fā)熱量都很大，并不能作為長期使用的理想動力源。

　　此外，傳感器的靈敏程度也有待加強(qiáng)。楊燦軍表示，要實現(xiàn)整個外骨骼系統(tǒng)的柔順控制，需要快速的信息傳感技術(shù)用來獲取所需的控制信息，并對多信息進(jìn)行高效快速融合，發(fā)出控制指令。

　　目前，可穿戴機(jī)械外骨骼主要通過采集肌電信號的方法來獲取使用者的運動意圖，肌電信號采集的方法有很嚴(yán)格的外界環(huán)境限制，一旦信號采集的地方發(fā)生微小的變化(如流汗等)就會干擾信號的采集。

　　再者，可穿戴機(jī)械外骨骼主要通過捆綁的方式與使用者連接在一起，而這種方式具有很大的缺陷，如人體捆綁部位會因帶子的束縛產(chǎn)生血液流通不暢等問題；捆綁處因肌肉的收縮、伸展產(chǎn)生的形變，很大程度上會影響機(jī)械外骨骼的定位精度。（記者 付麗麗）

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責(zé)任編輯： 徐宙超