这种外骨骼有望在未来改善老年人和残疾人的生活

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这种外骨骼可以增强老年人和残疾人的行动能力，提供潜在的生活质量改善

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# 外骨骼时代的黎明

Ars Technica

# 外骨骼机器人如何工作：从 19 世纪专利到 Hypershell 与 SuitX 等现代设备的崛起 ## 什么是动力外骨骼？ 动力外骨骼（powered exoskeleton）是一种可穿戴的机器人装置，它套在人体外部，将电机、执行器、传感器与控制系统整合在一起，用来增强、辅助或恢复人的运动能力。它不是科幻电影里的自动装甲——大多数商用与临床设备只提供几十瓦到几百瓦的辅助功率，目标是让搬运工少受一点伤、让脊髓损伤患者重新站立行走。 从本质上说，动力外骨骼是把人体与机器重新"配对"成一个闭环系统：人负责意图，机器负责力量。 ## 它如何工作 ### 机械结构 一台动力外骨骼通常由三个部分组成：**框架（structure）**、**执行器（actuator）** 和 **能源（power source）**。 - **框架**：由碳纤维、铝合金或高强度工程塑料制成，沿人体的髋、膝、踝、腰椎等关节布置。设计的关键在于"刚度匹配"——既要足够刚硬以传递力矩，又要足够轻便让人愿意穿戴。目前商用外骨骼的重量普遍在 3 到 10 公斤之间，部分面向户外探险的轻量化型号已经下探到 2 公斤以内。 - **执行器**：最常见的是无刷直流电机（BLDC motor）配合行星齿轮或谐波减速器，以提供大扭矩、高响应速度；液压执行器（如早期的 BLEEX 系统）则能提供极高的功率密度，但需要液压泵、油路与散热，系统复杂度高得多。近年出现的准直驱电机（quasi-direct drive）以低减速比 + 高力矩直驱的方式，在能效与透明度之间取得了不错的平衡。 - **能源**：主流方案是可充电锂离子或锂聚合物电池。能量密度决定了续航，目前一台中等负载的腰部外骨骼通常能提供 2 到 4 小时的连续辅助；髋关节助力外骨骼因负载更高，续航往往更短。续航焦虑是制约这类设备真正"走出实验室"的核心瓶颈之一。 ### 控制与传感 真正让外骨骼"感觉"不到自身存在的，是它的控制回路。这一部分通常包含： - **人机交互力传感**：在关节处安装力矩传感器，或通过电机电流反推关节力矩，用来判断用户是想加速还是减速。当检测到用户主动施力时，系统在毫秒级内"接力"辅助。 - **运动意图预测**：除了交互力，许多设备还利用 IMU（惯性测量单元）、足底压力传感器、肌电信号（EMG）甚至脑机接口（BCI）来预测下一步动作。例如，步态相位检测会根据加速度与足底压力的组合，判断用户处于支撑期还是摆动期。 - **控制算法**：早期系统采用 PID 或阻抗控制（impedance control）——让外骨骼表现出一个"柔顺"的虚拟刚度与阻尼，人动它就动，人不动它就"松"。最新一代设备开始引入模型预测控制（MPC）和强化学习，让外骨骼学会在不同地形、不同负重下自适应调节助力策略。 这里存在一个经典难题：**透明度（transparency）**，即在不提供辅助时，外骨骼是否"几乎感觉不到"。如果外骨骼自身惯量与摩擦过大，用户会明显感到被拖拽，反而更累。因此，低摩擦、低惯量的机械设计，加上精准的力矩估计，是衡量一台外骨骼工程水平的硬指标。 ## 一段漫长的历史 ### 19 世纪的先知与专利 动力外骨骼的历史，远比大多数人想象的久远。早在 1890 年，俄罗斯发明家 **Nikolai Yagn** 就申请了关于"步行辅助装置"的专利，其中已经包含了气动储能与辅助行走的概念。而更早的 1867 年，美国发明家 **George Westinghouse** 和 **Alexander E. Burden** 的专利中就出现了通过弹簧储能来辅助搬运重物的装置构想。 这些 19 世纪的设想大多停留在纸面上，受限于当时的能源（蒸汽、发条）与材料，无法真正实现动力闭环控制。但它们奠定了一个核心洞察：**机器可以分担人的体力负担**。 ### 20 世纪的探索 - **1960 年代**，美国军方与 NASA 开始认真研究外骨骼。**General Electric** 的 **Hardiman**（1960s）是一个著名的失败案例：它旨在让士兵举起 1500 磅的重物，但整机重达 1500 磅，且液压系统完全无法实现预期控制，最终被放弃。 - **1972 年**，美国军方的 **Knee-Shoulder Exoskeleton** 项目开始探索上肢与下肢的协同助力。 - **1986 年**，日本筑波大学（University of Tsukuba）的 **Masayoshi Tomizaki** 团队开发了 **HAL**（Hybrid Assistive Limb）的雏形，这是世界上第一个基于肌电信号的外骨骼系统之一，后来由 **Cyberdyne** 公司商业化，成为临床领域最具代表性的产品之一。 - **1990 年代到 2000 年代初**，DARPA 与军方支持的 **Sarcos** 公司推出 **XOS** 系列（如 XOS-2），用伺服电机与高速液压实现了惊人的透明度与力量表现，能让人轻松举起 200 磅的物体。但同样，系统过于笨重（整机约 90 磅），且需要外接电源，离真正实战部署还有很远的距离。 - 同期，加州大学伯克利分校的 **BLEEX**（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton，2004）由 **Ken Kazerooni** 教授主导，采用液压执行器与独特的控制架构，能够承受约 75 磅的额外负重而不需要外部电源，成为工程上的标志性突破。 - **2010 年**，DARPA 的 **X-2** 系统展示了更先进的外骨骼形态；**Berkeley Bionics** 后来更名为 **Ekso Bionics**，转向临床与工业应用。 - **2012 年**，**Lockheed Martin** 的 **ONYX**（前称 Exoskeleton for Enhanced Interoperability & Locomotion，2019 年推出产品）进入美军测试，用于负重行军。 ### 转折点：从军用到民用与临床 真正的转折发生在 2010 年代中后期，当三个条件同时成熟时：**电机与减速器成本大幅下降**、**锂电池能量密度持续提升**、**控制算法与传感器融合能力增强**。 由此出现了一批面向消费者与医疗市场的产品： - **SUITX**：由加州大学伯克利分校孵化的 **Berkeley Bionics / SuitX** 公司推出，旗下产品包括 **BackX**（腰部辅助，用于减少腰背肌劳损）、**LegX**（下肢助力）和 **ShouldX**（肩部辅助）。它们的定位非常务实——不追求"钢铁侠"式的夸张效果，而是针对工厂工人、物流仓储人员等真实职业场景，通过机械结构本身（而非昂贵的主动控制）提供助力，成本控制得相当出色，被多家制造企业用于降低工伤率。 - **Hypershell**：一家中国公司推出的户外动力外骨骼产品，主打轻量化（最轻型号约 2 公斤左右）、长续航与消费级定价。它面向登山、徒步、摄影等户外人群，通过髋部与膝部的执行器提供下肢助力，帮助用户爬坡时减少腿部疲劳。这代表了外骨骼从"重型工业/医疗设备"向"可穿戴消费电子"演进的方向。 - **其他代表**：**ReWalk**（2014 年获 FDA 批准，用于脊髓损伤患者辅助行走）、**Ekso Bionics** 的 **EKSO GT**（临床康复训练）、**Indego**（美国范德堡大学研发，模块化设计，患者可自行穿脱）、**Bionik Laboratories** 的 **ARK**、**Cyberdyne HAL** 等，构成了康复医疗领域的主要格局。 - 在工业领域，**Sarcos Robotics** 曾尝试推出 **Guardian XO** 全身动力外骨骼（150 磅设备 + 人体，可搬起 200 磅），并吸引了众多工业客户；不过该公司在 2024 年的经营状况也反映了这一行业的残酷现实——高技术门槛、高成本与尚未完全验证的商业需求。 ## 临床与工业：两大战场 ### 临床康复 在外骨骼的临床应用中，最重要的不是"力量增强"，而是 **神经可塑性** 诱导。对脊髓损伤、中风后偏瘫或肌肉萎缩症（如 ALS）的患者来说，外骨骼的价值在于提供 **正确、重复、高强度的步态训练**——这正是传统物理治疗难以高频完成的部分。 研究表明，在外骨骼辅助下进行的重复性步态训练，能够激活患者脊髓内的中枢模式发生器（CPG，Central Pattern Generator），并在一定程度上促进神经通路的重组。一些临床试验甚至观察到，脱离设备后患者仍能保持部分功能改善。但也要注意，目前外骨骼的临床效果仍然高度依赖于设备质量、训练方案设计与患者的初始损伤程度，尚无"一刀切"的疗效保证。 ### 工业与物流 工业场景是外骨骼最接近大规模商业化的领域。Amazon、BMW、Boeing 等公司已经在仓库与装配线上试用腰部助力外骨骼（如 SuitX BackX、**EksoZero**、**Levitate AIRFRAME** 等），用于减少搬运工人因重复性腰部动作导致的劳损。 这一领域的核心商业逻辑很清晰：一名腰背劳损员工的医疗成本、缺勤成本与替换成本，往往远高于外骨骼设备的价格。但实际部署中仍面临挑战——穿戴是否舒适、是否影响生产节奏、员工是否愿意长期使用、设备维护与清洗流程是否可行。这些"非技术性"因素，常常比技术指标更决定成败。 ## 当下的挑战与未来 ### 挑战 1. **续航与功率密度**：要让一台全身动力外骨骼持续工作一整天，电池重量可能占据相当一部分比例。氢燃料电池、更高密度的固态电池，以及更高效的热管理系统，都在研发之中。 2. **重量与舒适度**：即便是轻量化的 Hypershell 也面临"越轻越好"的压力。柔性驱动器（如编织式气动肌肉）、弹性储能机构（串联弹性执行器，SEA）等新方案正在探索更轻、更柔顺的助力方式。 3. **成本与规模化**：一台全功能全身外骨骼的售价通常在数万美元以上。只有当关键部件（伺服电机、减速器、传感器）的成本大幅下降，消费级市场才可能真正打开。 4. **安全与认证**：医疗与工业设备需要严格的监管认证（如 FDA 的 510(k)、欧盟的 CE 认证），过程漫长且昂贵。同时，设备失效时的安全设计（如机械限位、断电保护）至关重要——一台失控的外骨骼可能造成比无外骨骼更大的伤害。 5. **伦理与公平**：如果外骨骼成为某些职业的"标配"，不拥有设备的工人是否处于不利地位？强化了体力劳动的效率，是否也在变相延长了高强度体力劳动岗位的存在？ ### 未来方向 - **柔性外骨骼（soft exosuit）**：哈佛大学 Wyss 研究所等机构在探索用纺织材料、弹性织物与柔性执行器制作的"几乎看不见"的外骨骼，更像是一层智能衣物。它的力量增益可能不如刚性外骨骼，但舒适度与可穿戴性大幅提升。 - **脑机接口融合**：已有研究将非侵入式 BCI 与外骨骼结合，帮助高位脊髓损伤患者直接通过"意念"控制设备。虽然仍处于早期阶段，但这是外骨骼领域最令人兴奋的技术前沿之一。 - **AI 自适应**：基于强化学习的控制策略，让外骨骼能在不同任务、不同地形、不同用户体重下自动调整助力参数，实现"个性化步态"。 - **群体化与标准化**：随着更多公司进入市场，行业正在逐步建立通用的接口标准、评测方法与临床数据集，推动技术的互操作性与透明度。 ## 结语 从 19 世纪的专利纸面，到实验室里的液压原型，再到今天能挂在背包上的 Hypershell 轻量助力系统，以及工厂里真实保护工人腰背的 SuitX 设备，动力外骨骼走过了一条漫长而曲折的路径。 它曾经是军事幻想的产物，曾经被嘲笑为"太重、太贵、太不切实际"。而现在，它正安静地出现在康复训练室、物流仓库、登山步道与工厂车间里。 外骨骼最深刻的意义或许不在于它让人类变得更强，而在于它让人类变得 **更健康、更持久**——在人机协作不断深化的时代，这可能比"力量"本身更重要。

外骨骼时代的黎明

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文章介绍了动力外骨骼技术在搜救、军事、工业和康复领域日益广泛的应用，从西雅图山地救援队到乌克兰军方，再到宜家和福特的工厂，并预测市场规模到2030年代中期可能翻倍甚至翻三倍。