在現實生活中，科學家們一直在致力於一項黑科技----外骨骼機器人，有望實現一秒變身鋼鐵俠的夢想。那麼，什麼是外骨骼機器人呢？
外骨骼機器人是一種人機結合的可穿戴機器人，即穿戴在使用者身體外部的一種智慧機械結構，可以將人體感覺器官、思維器官、運動器官和機器感知系統、機器智慧處理中心、機器控制執行系統相耦合的可穿戴設備。
外骨骼機器人的前世今生
2000年，美國國防部首次提出了“外骨骼機器人”的概念，主要的目標是增强阿兵哥體能，提高單兵作戰能力。本質上講，外骨骼機器人跟我們在科幻電影中所見到的戰甲還略有不同，可以將其看作是附著於人體外部的“人工智慧”。它能够為穿戴者提供保護，並根據人的肢體活動來感應、伺服、驅動機械關節重現動作，用以提供額外的動力，幫助使用者跑得更快、跳得更高、負重更强。
2004年，加州大學伯克利分校人體工程和機器人實驗室成功研發出伯克利下肢外骨骼（BLEEX），這是後來大名鼎鼎的HULC的原型；
提升單兵作戰能力，搬180斤重物，毫無感覺！
2009年，該實驗室繼續開發出可增强下肢能力的機械外骨骼科技----人類外骨骼負重系統（Human Universal load carrier，HULC）。HCLC自重24公斤，由背包式外架、金屬腿框架及相應的液壓驅動設備組成，穿戴者攜帶的負荷不會作用在本人身上，而是直接經由機械外骨骼傳至地面。HULC的主要功能包括力量增强和耐力增强兩方面，穿戴HULC的阿兵哥可搬運90公斤的重物而毫無感覺，而且在3.2公里/小時的行動速度下可降低5%~12%的氧氣消耗。
2013年，日本築波大學HAL的第五代產品HAL 5上市，同年2月獲得了國際安全認證，是世界上第一家獲得該認證的機械外骨骼。HAL重量只有10公斤，可以滿足正常人的承受能力。通過感測體表的生物資訊，如肌肉的運動和神經電流的改變，HAL可以類比穿戴著的動作，並在平行方向上增强穿戴著的力量和耐久力。
讓癱瘓患者，重新獨立行走！
2014年，以色列Rewalk Robotics公司推出了一種可穿戴式輔助運動的下肢外骨骼人Rewalk，可以幫助腰部以下脊髓損傷的人重新獨立行走。它由腿部支架、獨立控制的髖關節和膝關機電機、充電電池、附著於關機上的電腦系統以及一副控制平衡的拐杖組成。
2016年，哈佛大學Wyss研究所發佈了與ReWalk公司合作研發的新一代外骨骼機器人，其採用可穿戴感測器的拉伸檢測運動，通過拉索驅動踝關節的動作，從而重現使用者的動作。
《Science》封面：穿上這條短褲，讓你跑得更快
2019年，哈佛大學Wyss研究所再次研發出一款外形類似“短褲”的外骨骼穿戴設備，研究成果登上全球頂級期刊《Science》封面（Science，2019，365（6454）：668-672.）。與以往的多關節外套相比，這款最新的臀部輔助外套設計更簡單，重量更輕，整個設備重約5公斤。產品看起來實際上更像是一條短褲，下背部有一個機械裝置，腿上有綁帶，用於簡單地輔助腿部伸展運動。機載電腦可以檢測佩戴者身體的運動，確定步態的類型（步行或跑步）以及腿部當前所處的步態階段。在測試中，該套裝在行走時减少了9.3%的代謝負荷，在跑步時則减少了4%。
最新《Science》：節省體力的同時，還能發電！
現時，外骨骼機器人領域的研究熱點之一在於如何通過新增或存儲並返回能量來减少步行的代謝消耗，即將使用者步行的代謝能採集或存儲轉化為電能。其中，評估的性能指標是收集成本（COH），即穿戴者的代謝功率變化（組織：W）與設備產生的電能之比。遺憾地是，幾乎所有的外骨骼可穿戴設備的COH均為正值，這意味著需要使用者提供額外的代謝成本才能發電。
近日，加拿大皇后大學Michael Shepertycky和華人教授Qingguo Li等人研發出一種輕巧的背包式外骨骼可穿戴設備（重量僅為1.059千克）。該設備可以從自然的步態中收集機械能並將其轉換為可用的電能，同時還可以减少用戶的代謝能消耗，不僅將使用者的步行代謝成本降低了2.5±0.8%，還將去除的能量轉換為0.25±0.02W的電能！上述研究成果以“Removing energy with an exoskeleton reduces the metabolic cost of walking”為題，於2021年5月28日淩晨發表於全球頂級期刊《Science》上。
背包式外骨骼可穿戴設備的結構設計
背包式外骨骼設備主要由電纜和旋轉發電機組成（如下圖），其中電纜通過線束連接到用戶的小腿，並向上延伸以連接到輸入滑輪。當使用者的膝蓋在擺動期間向前伸展時，擺動腿的輸入纜線會鬆開並驅動輸入皮帶輪。這些滑輪與齒輪系和滾柱離合器結合使用，將電纜的線性運動轉換為旋轉運動，並在接合單個發電機之前同時放大和綜合電纜的運動；
在站立狀態下，離合器將輸入皮帶輪與齒輪系分離，從而通過復位彈簧將電纜收集回到輸入皮帶輪上。離合器還使該設備僅在擺動期間施加機械負荷，而在站立期間，下肢不受外骨骼的束縛。此時，發電機的反電動勢將機械負載施加到輸入電纜，然後又施加到使用者身上。
背包式外骨骼可穿戴設備的工作原理
研究人員通過基本運動生物力學分析發現，人在步行過程中，當脚在空中時，膝關節的作用就像刹車一樣：肌肉在充當電動機（正機械功率輸出）時將新陳代謝動力轉換為機械能，效率為25%，而在制動時則為−125%效率（負機械功率輸出）。
囙此，背包式外骨骼可穿戴設備的覈心在於膝蓋外骨骼的設計，通過使用以肌肉為中心的膝蓋外骨骼阻力控制，來减少腿部擺動週期後期的主動肌肉力量，從而實現在步態週期中選取機械能，使其轉換為電能。
研究結果表明，當肌肉充當電動機時，每產生1 W電能需提供1.7 W機械功率。而該設備的轉換效率為60%，也就是說使用者將不得不消耗6.8 W以上的新陳代謝功率；然而，在制動時，每產生1 W電能，使用者僅消耗0.7 W的代謝能（COH = 0.7）。囙此，該設備可以從自然的步態中收集機械能並將其轉換為可用的電能，同時還可以减少用戶的代謝能消耗，導致其COH為負值。
此外，通過有策略地將設備安裝在使用者的背上，可以將其步行的新陳代謝成本淨降低2.5%，同時產生0.25 W的發電量。值得注意的是，這是現時同類設備中第一個可以實現負COH的設備。
下一步，研究團隊將綜合生理感應系統和機器學習算灋，以新增可穿戴輔助設備的多功能性和影響力。未來可能開發出一種外穿服，可在使用單個車載可充電電池的情况下，在長時間的戶外活動中將人體代謝能量的消耗降至最低，以不斷適應運動任務需求，例如擴大徒步蒐索和救援人員，戶外探險者或阿兵哥單兵作戰等等。
參考文獻：
Michael Shepertycky et al.，Removing energy with an exoskeleton reduces the metabolic cost of walking.Science 372，957–960（2021），DOI: 10.1126/science.aba9947
原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號
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