發布日期：2016-12-09
兩周前東人博士受到TEDxZhuhai公益演講活動的邀請，向大家介紹外骨骼機器人，主要內容如下：
什么是外骨骼？
跳蚤、螞蟻這些小生物擁有著非凡的跳躍、舉重能力，很大程度上是因為它們擁有外骨骼這一共同特征。外骨骼就是一種能夠對動物柔軟內部器官起到構型、支撐和保護作用，并介導運動的堅硬的外部結構，一般把節肢動物體表堅硬的幾丁質的外殼稱為外骨骼。
外骨骼有什么作用呢？
假如人類擁有外骨骼，就能夠在自然災害救援中為救援人員提供更大的力量，能夠輕松舉起斷壁殘垣，拯救更多生命；
外骨骼能夠增強老年人的運動能力，防止老人因為活動減少而導致身體機能下降，為老年人帶來出行便利，提高生活質量；
外骨骼能夠幫助截癱患者重新站立行走；
在戰場上，外骨骼能夠幫助士兵減輕負重，外骨骼鎧甲可以抵御槍彈的傷害；
在工業生產方面，外骨骼還能夠在人進行大體力勞動時減輕身體負重，節省體力，減少疲勞性損傷，提高勞動效率……
什么樣的外骨骼是優秀的外骨骼？力拔山河，舉重若輕，便捷舒適，機智如我。外骨骼的研發過程中需要攻克哪些難關？
如何實現更好的人機互動？讓外骨骼更好地理解用戶的運動意圖，并且做出正確的反饋。同時也要適應外部環境并做出合理反應。
如何承受并傳導更大的重量？突破人類基因限制，延伸人類的力量極限，使輸出的力量成倍放大。
如何保證力量的耐久性？需要我們在能量供應方面努力，發展儲能技術和充電技術，優化電源管理。
如何實現穿戴外骨骼時舒適和輕便？既要讓硬質的機器人表面和柔軟的人類皮膚相貼附，讓人在穿戴過程中感覺到舒適安全，還要外骨骼更好地響應和配合人體的運動。
附演講全文：
大家下午好。
跳蚤，一種非常微小而不起眼的小動物，但是，它擁有非凡的跳躍能力，輕輕一躍就可以跳出身高200倍的高度。
如果我們人類擁有同樣的跳躍能力，我們隨隨便便一跳便可以越過324米高的埃菲爾鐵塔。
但是目前我們人類的跳躍極限是古巴跳高名將索托馬約爾保持的2.45米。
螞蟻，另一種非常微小而不起眼的小動物，但是，它擁有非凡的舉重能力和拖拽能力，它可以舉起自身體重60倍的物體，或者拖動自身體重1700倍的物體。
試想如果我們也有這樣的力量，會是一個什么樣的場景呢？我們至少可以舉起一頭4噸大象，或者拖動一條120噸重的藍鯨。
在這些小動物面前，我們人類的運動能力和力量顯得如此渺小，不值一提，太弱了，是吧？
所以我們會不斷挑戰和超越自我，努力趕上這些小動物。
可是我們發現，無論我們練得多么苦，把胳膊練得和我腿一樣粗的情況下距離舉起大象仍然很遠。
因此，這些小動物非凡的地梁讓我們羨慕不已。
那么大家有沒有發現，這些擁有人類望塵莫及天賦的不起眼的小生命，都有一個共同特征：
那就是都具有一層堅硬的外殼，都身披盔甲，他們都是外骨骼動物。
通常來說，外骨骼是指，一種能夠對動物柔軟內部器官起到構型、支撐和保護作用，并能介導運動的堅硬的外部結構，一般是把節肢動物體表堅硬的幾丁質的外殼稱為外骨骼。
作為一名骨科醫生，我可以很負責任地告訴大家，通俗的理解，包裹在肉外面的骨骼就是外骨骼。
天然的外骨骼具有支撐重量、介導運動、保護肉體、塑造外形的功能，更重要的，通過這身外骨骼系統，可以給生物體提供強大的力量。
有時候我也在想，我要是也能有這樣一套外骨骼，那么我就能輕松舉起大象、跳過埃菲爾鐵塔，想想都覺得很酷，是吧？
其實，不止是我，五百多年前我們的先賢就已經有這樣的想法了。
比如達芬奇，16世紀歐洲文藝復興時期著名的天才科學家、發明家、藝術家。大多數人了解達芬奇是通過《蒙娜麗莎》和《最后的晚餐》。其實，除了繪畫，達芬奇在機械工程領域同樣有著卓越的成就。他設計了很多著名的機構，比如直升飛機、自動變速箱、坦克、潛水艇等。
我不清楚達芬奇有沒有想過舉大象，但是，達芬奇應該夢想過有一套外骨骼，為此他還設計了人類歷史上第一個機器人雛形，可以通過齒輪、拉線以及傳動桿傳動。
達芬奇曾經設計手稿復原的機器人，防御屬性好像還不錯。許多學者相信，這就是一套給人類設計的外骨骼機器原型，也就是——外骨骼機器人。
達芬奇之后的幾百年來，我們一直在不斷追求這樣一身盔甲，穿上它，就如同有了動物的外骨骼，可以幫助人類實現自身力量的巨大外延。
我也有這樣的夢想，很幸運，我遇到了一群也和達芬奇有同樣夢想的小伙伴。
正應了毛主席那句話：我們都是來自五湖四海，為了一個共同的目標走到一起。
我們共同進行外骨骼機器人核心技術的研發，我們夢想著自己有一天真的能夠舉起大象、拖動藍鯨、跳過埃菲爾鐵塔，甚至飛得更高、潛得更深、上天入地、無所不能。
那么，我們穿著外骨骼機器人，擁有這樣非凡的力量，這么酷炫，有什么用呢？難道真的就為了舉大象么？肯定不是，外骨骼機器人給了我們額外的力量源泉，在很多方面有著巨大的用途。
災難救援，地震、塌方等自然災害，受災最嚴重的地方，大型機械救援設備往往進不去，這時我們的救援人員如果有外骨骼機器人，就可以輕松搬開重物，就可以大大提高廢墟搜救的效率，就有能力和時間賽跑，可以從死神手里挽救更多人的生命。
隨著年齡的增長，我們每個人都有衰老的那一天，都面臨著行動能力的下降，無論是腦中風引起半身不遂還是關節退變、帕金森，都會導致老年人行動不便。人上了年紀一旦活動減少，身體機能會迅速下降，各種疾病將隨之而來。如果有外骨骼機器人輔助行走，不但可以買菜遛彎兒，甚至可以遠足旅游，可以大大提高老年人的生活質量。
截癱患者，他們比誰都渴望能夠重新行走，外骨骼機器人就可以幫助他們實現這一夢想。
戰場上，外骨骼機器人可以極大減輕戰士單兵負重，保存體力，同時外骨骼盔甲還可以保護士兵避免槍彈傷害。
任何需要搬運重物的體力工作，都可以通過穿上外骨骼機器人來助力，幫助人節省體力，保護身體免受疲勞損傷，同時還能提高工作效率。
還有等等等等很多領域，外骨骼機器人都可以發揮巨大作用。
那么，什么樣的外骨骼機器人才算一款好產品呢？我們認為一個優秀的外骨骼機器人需要具備以下氣質：力拔山河、舉重若輕、舒適便捷、機智如我。
但是很可惜，目前還沒有任何一款成熟的外骨骼產品能夠達到這些要求，因為……
理想是豐滿的，目標是遠大的，但現實工作還需要我們腳踏實地，踏實前行。飯要一口一口吃，路要一步一步走。要使我們的外骨骼機器人具備以上素質，必須滿足以下技術條件。
首先就是要解決如何更好地實現人機交互，讓外骨骼機器人懂你，讓外骨骼機器人更像我們自身的骨骼，能更好的領會使用者的意圖，不能出現，你想走的時候他不走，你想停的時候他不停，你想快的時候它偏要慢，你想慢的時候他又想加速，你想上樓它不抬腿，如果這樣就很尷尬了，機器人必須能很好的配合我們的運動。此外，外骨骼機器人還需感知外部環境的變化，不同地形、風霜雨雪、溫度變化都會對其產生影響，它得能感知、能適應。因此我們需要模擬人的神經反射弧通路，采用多傳感器融合技術，形成一個控制閉環，比如使用壓力傳感器，慣性傳感器，肌肉電信號控制，腦電信號控制，運動大數據采集和分析建模以及通過新型控制理論和算法，結合人工智能的應用實現讓外骨骼機器人能夠理解甚至預測使用者的運動意圖，更好的配合人完成各種動作。做到明明白白我的心。
人類自身力量的局限主要體現在兩個方面，一是肌肉絕對力量不夠強大，二是在肌肉在高強度用力的情況下維持不了多長時間，這個和基因帶給我們的遺傳屬性相關，就是說我們生來注定就是這樣，無法改變。外骨骼機器人延伸了我們的力量極限，通過高速電機配合大減速比減速器的方案，可以是實現輸出力量成倍的放大，除了電機，我們還可以使用液壓推桿或者氣動肌肉。此外，外骨骼機器人自身的剛性結構決定它具有很好的應力遮擋效應，可天然承受并傳導巨大重量，保證我們在舉大象的時候不被壓扁。
至于如何提高力量的耐久性，我們主要在能量供應方面努力，首先是儲能技術的發展，比如紙電池、石墨烯電池、鋁離子電池、釩電池等新型電池的使用，可以大大提升能量的供給量；其次是電源管理的優化，通過優秀的電源管理技術使得能量分配更合理、利用更高效、更充分；第三是充電技術的進步，如快速充電技術（充電兩分鐘使用五小時，聽著就很爽），另外還在外骨骼運動的同時回收能量并進行充電，還可以考慮薄膜太陽能充電等多種方式。
解決了以上問題，穿上外骨骼機器人基本就可以舉起大象了，但是，是不是這樣就夠了呢？還不夠。因為我們要把外骨骼機器人看成人體自身的一部分，要和我們融為一體，這就要求穿上外骨骼，除了有勁兒，還得舒服。
作為穿在身上和人配合的機器人，有一對先天矛盾的屬性，就是剛性和舒適性。硬質的外骨骼可以增強人的力量，卻不容易與體表貼合。人體表面是柔軟曲面，如何解決貼合性十分重要。我想，無論是跳蚤還是螞蟻，螃蟹還是大蝦，他們都不會覺著自己的外骨骼沉重，累贅，甚至把某些重要器官卡的疼痛。我們追求的也是這樣的目標，這需要結構設計，人體工程學，生物力學交叉融合，甚至服裝設計師的共同努力，同時還需要使用新型輕質材料結合3d打印技術使外骨骼與人體更加貼附。此外，快速響應和良好的人機協同也直接影響到穿著的舒適程度。響應和協同速度過慢，人在運動過程中會明顯感覺到有額外的阻力，響應和協同速度過快，又會給人增加額外的推力，運動時難以與自身重心相配合。因此，對人體運動的采集分析和數學建模至關重要，首先要知道人是怎么運動的，再去從模仿人的運動到預測人的運動，增強外骨骼機器人穿著的舒適性。
解決了這些關鍵技術問題，我們離實現夢想就非常非常近了。
今天的主題是2026，展望未來十年，我很難預想，十年后外骨骼機器人會發展到一個什么樣的程度？因為今天科學發展的速度實在太快，但是可以預見的是，這樣的外骨骼機器人必將實現。
感謝漫威，為我們描繪了外骨骼機器人的一種極致狀態，這是就我們為之奮斗的明天。
來源：36Kr
