“輕量化、智能化是機(jī)械外骨骼的進(jìn)化趨勢(shì)。如果看向更長(zhǎng)的時(shí)間尺度，仍在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段的仿生柔性外骨骼極具潛力，未來的機(jī)械外骨骼或許能像普通衣服一樣穿在身上?！?/p>
雖然不確定機(jī)械外骨骼會(huì)不會(huì)成為鋼鐵俠的機(jī)甲，但在工業(yè)領(lǐng)域成為未來的“電動(dòng)螺絲刀”應(yīng)該不成問題?！安煌诠I(yè)機(jī)器人的專用型特點(diǎn)，機(jī)械外骨骼更像通用型設(shè)備，只要是人能做的工作，它都可以配合著人一起干”
從發(fā)展趨勢(shì)判斷，機(jī)械外骨骼會(huì)更輕便、更智能、更柔性，但它能否普及、何時(shí)才會(huì)普及的關(guān)鍵不在于機(jī)械外骨骼本身，而是取決于基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，包括但不限于材料、電池、驅(qū)動(dòng)方式和芯片技術(shù)等
ChatGPT最近給我們帶來新的思考，未來有可能讓機(jī)器自己去學(xué)習(xí)，然后去個(gè)性化適應(yīng)使用者的行為習(xí)慣。ChatGPT是語(yǔ)言模型，能學(xué)習(xí)語(yǔ)言就意味著未來也可以學(xué)習(xí)動(dòng)作。可以想見，機(jī)器軟件的適應(yīng)度會(huì)因此變得更強(qiáng)
文 | 主持人 董雪 《瞭望》新聞周刊記者 許東遠(yuǎn) 程思琪
在漫威系列作品中，鋼鐵俠是個(gè)特殊的存在，他不是靠基因變異獲得超能力，而是用鋼鐵機(jī)甲為凡人軀體賦能。本期“懂點(diǎn)科技”將向您展示已經(jīng)走入真實(shí)生活的鋼鐵機(jī)甲。
它們又叫“機(jī)械外骨骼”，今年上半年因本色出演《流浪地球2》受到關(guān)注?！恫t望》新聞周刊記者體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，穿上機(jī)械外骨骼類似于進(jìn)入某種“人機(jī)協(xié)作”的狀態(tài)，既得到了機(jī)械的力量，又保持著人的主導(dǎo)性和靈活性，整體效果一加一大于二。
不同于科幻電影里不計(jì)成本暢想顛覆性技術(shù)，這些現(xiàn)實(shí)中的鋼鐵機(jī)甲非常樸實(shí)：外形設(shè)計(jì)不華麗，采用黑灰色調(diào)，技術(shù)上追求實(shí)用、安全、節(jié)約成本，功能上以針對(duì)單個(gè)關(guān)節(jié)的外骨骼為主。
“輕量化、智能化是機(jī)械外骨骼的進(jìn)化趨勢(shì)。如果看向更長(zhǎng)的時(shí)間尺度，仍在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段的仿生柔性外骨骼極具潛力，未來的機(jī)械外骨骼或許能像普通衣服一樣穿在身上。”為《流浪地球2》提供機(jī)械外骨骼的科技企業(yè)傲鯊智能創(chuàng)始人徐振華說。
穿在身上的單關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人
細(xì)心的觀眾會(huì)發(fā)現(xiàn)，《流浪地球2》中出現(xiàn)了三種機(jī)械外骨骼：
第一種最常見，士兵搬運(yùn)物資時(shí)穿著單關(guān)節(jié)機(jī)械外骨骼作為背景出現(xiàn)，包括上肢、腰部、腿部三種；
第二種是酷炫的力量級(jí)機(jī)械臂，女主角韓朵朵在太空電梯穿上機(jī)械臂給了反派一拳絕殺；
第三種是影迷們非常喜歡的門框形態(tài)機(jī)器人，人穿上某種控制裝置，遠(yuǎn)程操控機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)，仿佛賦予人一個(gè)功能強(qiáng)大的機(jī)械軀體。
毫無疑問，第一種是三者中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的初級(jí)形態(tài)。記者采訪了解到，第一種也代表了現(xiàn)階段“機(jī)甲”的主流形態(tài)。
與大家想的一樣，“機(jī)甲”確實(shí)能讓人力量倍增，即使只作用于單個(gè)關(guān)節(jié)。記者近日在傲鯊智能公司試穿了針對(duì)腰部的單關(guān)節(jié)機(jī)械外骨骼，搬起重物起身時(shí)，明顯感受到外骨骼給腰部施加了一個(gè)力，原本拎不動(dòng)的30公斤重沙袋被輕松拎起，而且還有進(jìn)一步加重的空間。而正常成年女性能拎起的重量一般在15公斤左右。
從技術(shù)層面分析，用機(jī)械給腰部一個(gè)力很簡(jiǎn)單，難在什么時(shí)候給力，給什么方向的力、多大的力。如果力給慢了，穿戴者會(huì)感到機(jī)械很遲鈍，體驗(yàn)差。如果力的方向給反了，不但不能助力，還會(huì)拖后腿。更要命的是，如果力給得太大，很可能拉扯腰部過度后仰，對(duì)人體造成傷害。
因此，機(jī)械外骨骼首先要具備偵測(cè)并預(yù)判人體動(dòng)作的能力，這靠的是傳感器和軟件數(shù)據(jù)庫(kù)。
“傳感器相當(dāng)于感知器，軟件數(shù)據(jù)庫(kù)相當(dāng)于'大腦’?！毙煺袢A說，“我們建立軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，通過收集人各種各樣的動(dòng)作，歸納整理出基本的動(dòng)作運(yùn)行模型。傳感器感知到人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，根據(jù)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)判人的下一步動(dòng)作，然后快速施加輔助力?！?/p>
在采訪現(xiàn)場(chǎng)，記者看到有工作人員踩在一臺(tái)儀器上模擬行走。徐振華介紹，這是在收集足底運(yùn)動(dòng)信息，包括人站立或行走時(shí)的足底壓力分析、步態(tài)分析等。更多的時(shí)候，研發(fā)人員會(huì)直接穿著各類機(jī)械外骨骼做各類動(dòng)作，利用機(jī)械外骨骼自帶的傳感器或后配上的特殊鞋墊收集動(dòng)作信息。一般來說，30人次到40人次的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是一款機(jī)械外骨骼的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量。
研發(fā)人員自己的動(dòng)作，是數(shù)據(jù)庫(kù)的重要組成。也有一些用戶愿意貢獻(xiàn)出數(shù)據(jù)，幫助產(chǎn)品迭代升級(jí)。這些數(shù)據(jù)能讓機(jī)械外骨骼更好地適應(yīng)不同用戶的需求?！拔覀?cè)谛袠I(yè)大數(shù)據(jù)庫(kù)下，還有面向不同公司的細(xì)分小數(shù)據(jù)庫(kù)?！毙煺袢A說，“同一行業(yè)下不同公司的用戶動(dòng)作有共通性，也會(huì)有一定的個(gè)性，比如某些助力角度不同。我們會(huì)根據(jù)各公司需求對(duì)動(dòng)作運(yùn)行模型進(jìn)行調(diào)整?！?/p>
試穿腰部外骨骼有什么美中不足？30公斤的重物雖然可以輕松拎起，但拎起后的重量依舊由人體承擔(dān)。就像有人幫忙把沙袋放到背上后松了手，記者感到背部負(fù)重明顯。
即便這樣，腰部外骨骼在物流等領(lǐng)域很受歡迎。徐振華介紹，物流人員需要重復(fù)性短距離搬運(yùn)物品，彎腰起身頻率很高，且每次負(fù)重的時(shí)間很短，腰部外骨骼大大減輕了他們的工作強(qiáng)度。
另外，上肢外骨骼支撐的是肩臂，適用于需要手臂長(zhǎng)時(shí)間托舉的工業(yè)應(yīng)用，比如在汽車、高鐵、飛機(jī)等總裝線上輔助打鉚釘、裝線束、安裝配件的工作人員。下肢外骨骼則主要應(yīng)用于負(fù)重行走、醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練等場(chǎng)景。
全身型外骨骼觸碰技術(shù)天花板
比單關(guān)節(jié)外骨骼更進(jìn)一步的形態(tài)是全身型外骨骼，機(jī)械把整個(gè)人從肩膀到腳都包裹起來，更接近人們想象中的鋼鐵機(jī)甲。
美國(guó)的薩科斯機(jī)器人技術(shù)公司（Sarcos Robotics）2020年在國(guó)際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)上展出了一款擁有24個(gè)自由度的全身型外骨骼機(jī)器人（自由度指的是機(jī)器人能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目），被業(yè)界視為技術(shù)天花板一樣的存在。
這款外骨骼看起來有些笨重，仿佛把生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人穿在了身上，整個(gè)人變寬一倍。不過根據(jù)展覽視頻，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)比外形靈活，也解決了前述腰部單關(guān)節(jié)外骨骼需要穿戴者自身負(fù)重的問題。公開資料顯示，人穿上它能舉起200磅（約91公斤）的重物，實(shí)際感覺自己僅舉起10磅的重物。
“美國(guó)薩科斯的全身型外骨骼有一些商業(yè)化進(jìn)展，比如造船廠用于零部件搬運(yùn)，飛機(jī)制造商用于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的安裝?！毙煺袢A介紹，從國(guó)際前沿的應(yīng)用來看，全身型機(jī)械外骨骼適用于更復(fù)雜的工業(yè)場(chǎng)景，比如除了搬起重物以外，還有非固定路線行走、協(xié)助安裝等需求，“它們走得比較慢，還不能跑跳。好在一些工業(yè)場(chǎng)景不需要快速行動(dòng)，這個(gè)缺點(diǎn)可以被局部接受。”
總體上看，全身型外骨骼機(jī)器人在市場(chǎng)上的應(yīng)用還比較少，價(jià)格、自重、使用難度超出接受范圍，還需要進(jìn)一步技術(shù)迭代。
以傲鯊智能為例，他們的第一款全身型外骨骼機(jī)器人最近推出。風(fēng)格上延續(xù)了單關(guān)節(jié)外骨骼簡(jiǎn)約低調(diào)的風(fēng)格，有點(diǎn)像把上肢、腰部和腿部等單關(guān)節(jié)外骨骼組合起來，定制它的客戶是高校，用作科研。
徐振華具體介紹說，一是現(xiàn)在的全身型外骨骼機(jī)器人價(jià)格昂貴，科研領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域零星購(gòu)買或許可以接受，工業(yè)領(lǐng)域批量化應(yīng)用還很難。二是自重對(duì)機(jī)械外骨骼的影響非常大，質(zhì)量越大慣性越大，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的阻礙越大，功耗也會(huì)增加。三是使用穿戴需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，它們的關(guān)節(jié)數(shù)量更多，意味著人要適應(yīng)的外骨骼數(shù)量更多，技術(shù)功能和安全要求也更多。
另外，《流浪地球2》中的門框形態(tài)外骨骼機(jī)器人，現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域也有一些初級(jí)形態(tài)，礦山、港口等場(chǎng)景下遠(yuǎn)程操控的機(jī)械設(shè)備較為典型。比如操作者遠(yuǎn)程操控港口的吊機(jī)，操作者能以第一視角看到吊機(jī)所在的環(huán)境，吊機(jī)也會(huì)根據(jù)人的指令完成相應(yīng)任務(wù)。差距在于，人與機(jī)械的通聯(lián)程度低，且機(jī)械能做的事情單一。
外骨骼機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)中使用 受訪者供圖
工業(yè)領(lǐng)域未來的“電動(dòng)螺絲刀”
關(guān)于機(jī)械外骨骼的起源可以追溯到20世紀(jì)，當(dāng)時(shí)處于純粹去驗(yàn)證這個(gè)東西是否可行的學(xué)術(shù)階段。徐振華告訴記者，隨著硬件技術(shù)和軟件工具進(jìn)步，他在2017年感受到機(jī)械外骨骼發(fā)展加速，市場(chǎng)化步伐加快。最先是用到醫(yī)療領(lǐng)域幫助人體康復(fù)訓(xùn)練，隨后作為人機(jī)協(xié)作設(shè)備擴(kuò)展到工業(yè)領(lǐng)域，國(guó)際上有名的企業(yè)主要有美國(guó)機(jī)器人企業(yè)薩科斯、德國(guó)假肢供應(yīng)商奧托博克、日本外骨骼制造商Atoun等。
雖然不確定機(jī)械外骨骼會(huì)不會(huì)成為鋼鐵俠的機(jī)甲，但在工業(yè)領(lǐng)域成為未來的“電動(dòng)螺絲刀”應(yīng)該不成問題。“不同于工業(yè)機(jī)器人的專用型特點(diǎn)，機(jī)械外骨骼更像通用型設(shè)備，只要是人能做的工作，它都可以配合著人一起干?！毙煺袢A分析。
從發(fā)展趨勢(shì)判斷，機(jī)械外骨骼會(huì)更輕便、更智能、更柔性，但它能否普及、何時(shí)才會(huì)普及的關(guān)鍵不在于機(jī)械外骨骼本身，而是取決于基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，包括但不限于材料、電池、驅(qū)動(dòng)方式和芯片技術(shù)。
——更輕便，需要軟硬件共同發(fā)力。記者采訪了解到，影響機(jī)械外骨骼自重的不只是材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和算法更加重要。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括傳感器、電機(jī)布局等，“如果可以減少傳感器的數(shù)量，就可以減少很多結(jié)構(gòu)，自重自然就輕了”。算法對(duì)功耗起著決定性作用，差的算法會(huì)特別耗電，進(jìn)而需要更大的電池容量。
——更智能，人工智能將發(fā)揮作用。“我們現(xiàn)在是人工設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行模型去適應(yīng)不同客戶。ChatGPT最近給我們帶來新的思考，未來有可能讓機(jī)器自己去學(xué)習(xí)，然后去個(gè)性化適應(yīng)使用者的行為習(xí)慣?！毙煺袢A說，“關(guān)于ChatGPT在機(jī)械外骨骼領(lǐng)域的應(yīng)用，我們還處于偏早期的研究。我們的技術(shù)合作方和業(yè)界技術(shù)大牛普遍認(rèn)同，人工智能可以學(xué)習(xí)語(yǔ)言，就意味著未來也能學(xué)習(xí)動(dòng)作?！?/p>
可以想象，如果類似ChatGPT的大動(dòng)作模型誕生，現(xiàn)在靠人力歸納調(diào)整動(dòng)作運(yùn)行模型的方式或許會(huì)被改變，人工智能將在更大的數(shù)據(jù)量、更精細(xì)的尺度上學(xué)習(xí)人的動(dòng)作特征。機(jī)械外骨骼可能因此出現(xiàn)兩個(gè)變化，一是基礎(chǔ)能力增強(qiáng)，即更快、更精準(zhǔn)地識(shí)別出穿戴者的更多動(dòng)作，二是個(gè)性化增強(qiáng)，不再是適應(yīng)某類工種的動(dòng)作特征，而是匹配每個(gè)人的行為習(xí)慣?！?匹配’對(duì)機(jī)械外骨骼來說非常關(guān)鍵，探索人工智能手段是讓機(jī)械外骨骼更好地匹配人。”徐振華說。
——更柔性，寄希望于仿生技術(shù)進(jìn)步。徐振華介紹，柔性驅(qū)動(dòng)方式主要是用鋼絲、尼龍等線繩模仿人體肌肉布局，再用電機(jī)驅(qū)動(dòng)這些線繩，目前還在實(shí)驗(yàn)室階段?！叭绻嵝则?qū)動(dòng)方式未來能普及，外骨骼會(huì)做得更輕巧，更貼合人體?！?/p>
采訪的最后，徐振華告訴記者一個(gè)他經(jīng)常被問到的問題：機(jī)械外骨骼是不是機(jī)器人的過渡階段？
他的回答是：這是兩種不一樣的東西，它們的發(fā)展是并行的。
2004年徐振華在上海交通大學(xué)讀書時(shí)，還沒有機(jī)械外骨骼的概念，單純是研究機(jī)器人。后來他發(fā)現(xiàn)，很多事情是機(jī)器人做不了的，為什么不能人和機(jī)器協(xié)同呢？在機(jī)械外骨骼領(lǐng)域探索多年后，他的觀點(diǎn)更加明確：即使是在未來，依舊有很多事情需要人來完成，而輔助人就是機(jī)械外骨骼存在的意義?！?/p>
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