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  • 1 # 科學專員棉花怪

    外骨骼機器人多次出現在科幻電影作品中:

    有像阿湯哥《明日邊緣》這種的

    《駭客帝國》這種重型的

    《鋼鐵俠》這種

    甚至有像《攻殼機動隊》這種只保留大腦的

    從技術上來說《明日邊緣》和《駭客帝國》這種可能能更早實現,而《鋼鐵俠》和《攻殼機動隊》這種可能要更遲一些。那麼我們目前人類的研究進展到了哪一步了呢?還有哪些技術難題需要攻克呢?跟隨我的文章,共同探索一下。

    目前成果

    可穿戴型步行助力機器人技術研究是近年來比較嶄新的一個研究領域,屬於特種機器人的範疇,其涉及機器人學、人體工程學、控制理論、感測器技術、資訊處理技術等。可穿戴型步行助力機器人可幫助人們擴充套件其下肢部位的運動能力,可在幫助老人、殘疾人提高自主生活能力,增加救災、防暴人員運動能力等方面發揮重要作用。助力機器人包括可穿戴在人體上各部位的機械裝置、動力裝置和控制裝置以及檢測人體運動資訊的多種感測器,它們組成一個可提高人體相應部位運動功能與負荷能力的輔助機器人系統以及一個類似人類神經系統的區域網,是典型的人機一體化系統。

    1960年,通用電氣公司最早研製出了一款可佩戴的單兵裝備一一哈迪曼(hardiman)。此項研究的首要目的是緩解士兵長距離負重行軍所引起的疲勞。哈迪曼是全身型外骨骼裝置,體積巨大、重約680公斤,採用主一從控制模式,但只能替代人的一隻手。結構複雜又過於笨重,未能實際使用。之後諸多高校和政府國防開始了外骨骼機器人的研究,但都未真正投入實用。

    圖為麻省理工1978年被動式外骨骼機器人

    直到21世紀自動控制和機器人技術的飛速發展,外骨骼機器人的研製才有了新的動力。代表作品有:

    雷神 (Raytheon) 公司的XOS和洛馬 (Lockheed Martin) 公司人類外骨骼負重系統 (Human universal load carrier, HULC)是軍用動力外骨骼。他們的目標是“讓士兵在戰鬥中能夠額外攜帶200磅的負重,並以10英里每小時的速度高速行進”。HULC先進的機器人外骨骼,旨在增強士兵的力量和耐力以及減少運輸負荷造成的受傷。

    醫療方面有,美國Ekso Bionics公司Ekso外骨骼醫療機器人

    日本Cyberdyne公司的Hybrid assistant limb (HAL)

    以色列Re Walk Robotics公司的ReWalk系列

    瑞士Hocoma公司的Lokomat(用於室內行走訓練)

    紐西蘭Rex Bionics公司的Rex (無需上肢支撐為其特點)

    美國Parker Hannifin公司的Indego等

    此外, 哈佛大學、麻省理工學院、西班牙國立SCI研究中心和中國科學院等高等院校與科研機構也在長期從事相關研究工作, 其中最引人注目的成果即前述為2014年巴西世界盃開球的智慧機械骨骼外衣 (美國杜克大學和德國慕尼黑理工大學聯合研發) 。中國中科院常州先進製造技術研究所,也有一款有著高科技含量的機械外骨骼EXOP已研製成功。

    以上就是目前的研究現狀,可以說目前比較成熟的還是下肢的研發,首先下肢保證了人的承重和行動,運動模式相對簡單,在醫療和軍事、救災方面意義比較重大。

    困難

    目前的難點主要有三個,一個是動力,二是感測器,三是學習計算能力。

    首先機械強化人的力量勢必需要消耗能量,而目前的電池技術正在瓶頸期,無法在保證重量減小的同時儲能大幅提升,導致了一個配重和電量的矛盾。使得穿戴機械不能長時間使用限制了使用條件,想要像鋼鐵俠一樣飛行更是不可能。

    再說感測器,人身體運動的精細和複雜程度超過了現在的感應技術,要想機械操作更精細,就需要更精密的感應器,高頻率的掃描,才能指導電機運動,不然穿戴裝置永遠不可能像我們自己的手腳一樣運動自如,人會感覺到阻力,行動緩慢,想象在游泳池裡跑步!

    最後是計算學習能力,其實跟我們最近說到的人工智慧、神經網路有關。我們的肢體經過訓練和長時間使用都有你的肌肉記憶,這也是我們為什麼有那麼多小動作、微表情等。機器也應該擁有我們的肌肉記憶,甚至能預測我們的行動跟我們交流,為我們推薦(參考《鋼鐵俠》賈維斯)。

    所以雖然目前在醫療領域已經有商用的外骨骼裝甲,但是想做到《鋼鐵俠》那樣的還需要解決上面三個問題。而且《鋼鐵俠》的世界裡也沒有普及全民眾,對吧~~~

    大家可以看我另一篇回答,看看京東的外骨骼機器人。

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