長期以來，機器人外骨骼的出現一直讓人們希望，有朝一日，電動套裝可以幫助殘疾人恢復行動能力，或者賦予士兵和工人超人的力量。但是，儘管經過幾十年的炒作，傳說中的“外骨骼”仍然主要存在於鋼鐵俠和科幻小說中，大多數現實原型要麼悄悄失敗，要麼努力尋找市場。但這個概念並沒有消失。相反，卡內基梅隆大學和其他地方的研究人員正在從字面上從頭開始重新思考設計過程。
卡內基梅隆大學團隊正在探索一種新方法，透過降低穿戴者的能量消耗來提高耐力——這是該領域長期存在的挑戰。他們沒有嘗試製造傳統的全身或甚至是下半身增強套裝，而是創造了一種軟體控制的踝關節支架，其直接目標是減少行走所需的力氣，從而減輕身體殘疾人士的運動疲勞。研究人員在上個月發表在《科學》雜誌上的一項研究中報告說，這種簡單的裝置——有針對性的、低調的，甚至是柔軟的——最終可以避開以前的陷阱，提供實用且經濟實惠的外骨骼。
控制任何外骨骼運動的演算法必須經過調整，以提供穿戴者所需的確切時間和力量。在這種情況下，卡內基梅隆大學機械工程副教授兼該研究的首席研究員史蒂夫·柯林斯希望外骨骼能夠自動計算出如何最大限度地減少穿戴者在行走時的能量消耗。
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為了測試不同的輔助策略，研究小組將每位研究參與者綁在一個細長的裝置中，該裝置向腳踝施加類似外骨骼的扭矩。參與者還連線到呼吸監測器，以測量他們的耗氧量——以及間接地測量他們的能量消耗。研究人員使用一種“進化演算法”，該演算法反覆嘗試幾種扭矩和時間的組合，然後選擇最佳組合進行進一步調整，與不佩戴支架行走相比，能量消耗減少了約14%。這比以前的任何系統都有了顯著的改進。但對柯林斯來說，細節甚至是演算法的效能都不是重點。他說，這“不是一篇關於外骨骼的論文”。“這是一篇關於設計外骨骼的方法的論文”，它在重要方面打破了先例。
實驗中的一位參與者在跑步機上行走時佩戴著外骨骼模擬器，同時一個面罩測量他的耗氧量。圖片來源：Kirby Witte、Katie Poggensee、Pieter Fiers、Patrick Franks 和 Steve Collins
一種更自然的方法
柯林斯的設計方法旨在解決困擾以前的外骨骼開發工作的難題。最著名的嘗試是軍事原型，它們與科幻小說中賦予穿戴者超人力量的願景非常接近。2010年，機器人公司雷神薩科斯的“XOS 2”軍事外骨骼和洛克希德·馬丁公司次年推出的類似人類通用載荷搬運器 (HULC) 的釋出都伴隨著大量的宣傳。但移動一個人需要大量的能量，而且很少有士兵願意拖著巨大的電池組。全身套裝還必須支撐自身的重量，這對重達68公斤的XOS 2來說並非易事。據薩科斯稱，由於美國國防部缺乏資金，XOS 2最終被擱置。HULC 在未能透過軍方測試後被暫停使用。*
醫療外骨骼是該技術的另一種經常被提及的用途，情況也好不到哪裡去。目前市場上有幾十個，但製造這些外骨骼的公司通常“靠補助金生活……希望向診所零星地出售康復外骨骼”，市場研究公司 ABI Research 的機器人業務主管 丹·卡拉 說。華盛頓大學機械工程助理教授凱特·斯蒂爾說，就那些可以幫助患者在家裡使用的套裝而言，“我還沒有看到將……有希望的技術轉化為……人們可以在日常生活中使用的東西的有力例子。”即使技術準備就緒，成本仍然是一個障礙。軍方可能願意為每套服裝支付數萬美元，但這對私人公民和他們的保險公司來說，很難接受。
不過，據柯林斯說，關鍵的挑戰比價格或力量更為根本：“我們不知道（外骨骼）應該如何幫助使用者，”他解釋說。畢竟，人體已經很擅長它們所做的事情了。過去的許多專案主要假設什麼會有幫助，然後“花費數年時間來製造……假設檢驗機器”，西蒙弗雷澤大學生物醫學生理學和運動機能學教授馬克斯·多尼蘭說。機器人公司 Dephy 的聯合創始人盧克·穆尼說，結果通常是“你乘坐的機器人”，幾乎不需要人類操作員。當人類試圖參與運動時，兩者會互相妨礙，除了最極端的殘疾之外，所有增益都會被抵消。
多尼蘭提倡人與機器之間更緊密的合作，“透過做人體無法做到的事情來改進身體已經做的事情”。這正是柯林斯的方法想要達到的目的。它從一個已知的痛點開始：生理分析表明，行走時的大部分能量消耗來自彎曲腳踝，因此彎曲腳踝是輔助的良好目標。因此，機器人支架的任務不僅僅是一些預定義的踝關節輔助形式，而是要找出最佳的幫助方式——包括何時不要妨礙。
以使用者為先
類似的以使用者為中心的思維方式正逐漸推動該領域跨越其他歷史障礙，以實現廣泛採用。例如，許多以前的專案在很大程度上忽視了可用性。卡拉說，他採訪的測試人員抱怨簡單的不便之處——機器“難以穿戴和脫下。它們會磨傷；會有摩擦。”此外，穆尼說，目前還沒有任何可用的外骨骼可以在幾分鐘內開箱、穿上並流暢使用。這不僅需要使用者快速學習如何使用該裝置，還需要該裝置適應使用者。“每個人都是不同的，”柯林斯指出。“對你來說效果很好的輔助策略可能會使我走路更加困難。”
然而，隨著針對非常特定使用者需求的極簡設計的出現，這些問題也開始逐漸消失。為了增強健康跑步者的能力，外骨骼可以使用小型臀部和踝關節電機以及像柯林斯這樣的演算法，這些演算法可以適應使用者的步態。為了幫助士兵舉起重型彈藥，外骨骼甚至不需要動力。一些很有希望的設計是完全被動的，使用彈簧將重量直接轉移到地面或儲存彎腰時的能量。這種外骨骼已經在逐步進入包括建築和造船廠在內的各行各業。
截癱患者可能需要一套全身下半身的套裝，但也許是使用舒適的、類似布料的材料製成的套裝，例如哈佛大學 康納·沃爾什 工程與應用科學副教授實驗室正在開發的“軟外骨骼”。在週三發表在《科學轉化醫學》雜誌上的一項研究中，沃爾什和哈佛大學和波士頓大學的同事表示，在輕便、低調的軟機器人踝關節支架的幫助下，他們提高了中風患者的行動能力。
不過，並非所有人都放棄了好萊塢關於一套套裝統治一切的想法。例如，美國特種作戰司令部 (USSOCOM) 仍在開發一種名為戰術突擊輕型操作員套裝 (TALOS) 的增強外骨骼，USSOCOM 發言人中校勞拉·博林格表示，該外骨骼正按計劃在 2018 年推出原型。一些學者對此表示懷疑，但大多數人似乎願意將“鋼鐵俠套裝”視為一種長期的可能性。
但在不久的將來，好處可能來自更簡單、更有針對性的裝置——柯林斯認為這些好處指日可待。“在未來五年內，”他說，“經常使用或認識經常使用外骨骼的人將很常見。” 不完全是我們希望的外骨骼，但也許是我們需要的外骨骼。
*編者注 (07/27/17)：這句話在釋出後進行了編輯。它最初宣告 XOS 2 和 HULC 在未能透過軍方測試後均被擱置。