外骨骼的定义最早其实来源于动物,即外部的骨骼,这些外部骨骼一般用于支撑和保护动物,与之相反的是人类这样“内骨骼”的生物。因此,外骨骼机器人一般是指那些能够保护自身,并增强人类能力的可穿戴机电设备,从单一的穿戴电子类产品,后续逐渐形成电子、机械、仿生的跨界融合,形成一项面向未来的独特前沿技术。在应用领域上也发展衍生到包含那些能够增强(帮助康复)残疾人的可穿戴设备,主要用于帮助病人做步态康复训练。因此目前从功能上,一般将外骨骼机器人分为增强型外骨骼和康复类外骨骼。
外骨骼机器人的想法可以追溯到1890年,当时一位叫尼古拉斯·亚根的俄罗斯人发明了一种用压缩空气包为动力的类外骨骼系统;1917年,美国发明家开发了一种以蒸汽为动力的外骨骼机器人;1960年,最早的外骨骼项目出现,其来源于美国军方的增强型军用装甲,同期康奈尔大学的研究者也开始研究人体增强的概念,后续外骨骼机器人很快就开始研发,也造成了这个领域大部分能够探明的问题迅速被探明。1970年,通用电气设计的Hardman系统,包含了30多个关节,能举起1500磅的重量,展示出了外骨骼技术的庞大可能性。
从研发到应用,目前外骨骼机器人已经走过了一百多年。外骨骼机器人也从最初的军用领域,开始在医疗、工业、物流等领域零星有所应用,包括美国的Ekso Labs、Barrett Medical、以色列的Rewalk、英国的Rex Blonics Limited、日本的CyberDyne、松下的外骨骼机器人等都是位于行业领先位置的企业。
在国外的外骨骼机器人发展历史中,松下最早在2014年就公开了其外骨骼机器人在产业方面的应用项目。当时,松下为了让普通工人能够轻松负重15公斤的重物到处移动,先是做了一个轻便版的外骨骼支架,后续在背部、大腿、小腿到脚部的区域里用碳纤维材料支撑,配合着可以由传感器唤醒的动力马达,最后实现了可以轻松地帮人负重15公斤工作。此外,美国的Ekso Bionics、suitX也陆续已经推出了自家工业用外骨骼机器人,其中,Ekso Bionics公司的上肢外骨骼机器人EksoVest早已应用到福特汽车流水线的顶部作业。
相对而言,国内这一赛道起步较晚,但却发力甚猛,尤其是康复外骨骼机器人赛道,已经涌现了众多初创企业,包括迈步机器人、大艾、睿瀚医疗、尖叫科技、瑾和、傅利叶智能等均是近些年来这一领域的明星企业,在这些企业中,就融资情况来看,普遍在2017年-2018年已经完成Pre-A轮融资。
工业外骨骼机器人也在国内应需兴起,包括在汽车装配、物流行业领域的应用,中国工业外骨骼机器人相关企业也已经开始跑步前进。类似傲鲨智能的MAPS工业上肢外骨骼机器人2019年就曾报道已经在奇瑞汽车、宇通客车、北京奔驰、吉利汽车工厂中试用。铁甲钢拳这类物流外骨骼机器人领域的创业企业也在2019年正式推出其第一款物流领域通用外骨骼机器人,并与京东、德邦、施耐德就物流外骨骼机器人有合作应用,未来将会继续深入做工业、建筑场景应用的外骨骼机器人。
一个外骨骼机器人一般包括整机设计、驱动器(机构)设计、控制策略三部分,外骨骼机器人实现人机实时交互和控制是其中的最难点。交互整体工作原理一般是:第一步感知人体行为意图,一般是陀螺仪+加速度计+肌肉电信号等方式结合;第二步实现驱动方式,例如采用高级行为驱动;第三是一般通过激光+超声感知对外界环境做出判断。
目前机器人获得人类意图有两种方式:直接获取操作者意图和间接获取操作者意图。直接获取操作者意图的方法有从EMG数据或人和机器人之间的交互力,间接获取的方法是从外骨骼关节获取数据、估计操作者意图然后放大运动效果。马斯克创办的Neuralink公司,致力于将人脑和计算机的连接,就是加强这种连接的一个方式。
就当下而言,外骨骼机器人还有很大的想象空间,并且有贴近消费级产品的选项。从技术角度来说,康复类外骨骼机器人研发门槛较低,同时属于2类医疗器械,注册门槛较低;助行类外骨骼机器人受到限制的技术性能不断得以突破;手术机器人技术研发门槛较高,属于3类医疗器械在国内注册门槛和周期都很长。因此,外骨骼机器人在中国得到爆发并不奇怪。
在前沿技术上,现阶段,西安交大、帝国理工、墨尔本大学也都有在做脑电方面的研究,而香港理工,则专注于经颅磁刺激和外骨骼机器人相结合的研究,这些都是目前世界上神经康复和机器人康复领域中非常前沿的方向。尽管如此,我国康复医疗产业还处于发展初期阶段,即使部分已经获得各类医疗认证的外骨骼机器人,更多企业仍将大部分精力投入到医疗外骨骼机器人研发上,真正商业应用的产品主要还是在关节康复设备上,诸如迈步机器人的下肢康复训练外骨骼机器人、手部康复外骨骼机器人,傅利叶的腕关节、踝关节康复设备等。
早期困扰外骨骼机器人主要有以下几个问题,第一个问题是能源问题,早期的外骨骼机器人离不开外部能源,通过内燃机和电缆的驱动一度是阻碍机器人发展的难题,这对于机器人的重量和可持续性的相关问题都有影响。第二个问题在于控制技术,控制技术使得机器人能够精准全程实现高效率的掌控,以及多维度的自由控制,并且能够跟上人的各种变化,如果没有对人体各种运动趋势的各种感知能力,而给人提供一个助力和行动支持,外骨骼机器人就反而成为了累赘。
如今随着锂电池,燃料电池等成熟,高效能源的发展,一部分外骨骼机器人开始将能源和控制问题很好得到解决,并出现了非常多的单一功能外骨骼机器人分支,包括了背带、手套、手指、短裤、护膝等形式,应用目的也衍生到了工业、医疗、民用和军事领域。
目前就外骨骼机器人的市场上来看,因为工业市场和工业机器人等成熟产品都存在竞争,外骨骼机器人最有可能的市场依然在医疗场景。第一市场是不可逆损伤市场,主要针对的是肌肉、骨骼、神经、软组织损伤和老化造成行动不便的人群,这一类2C人群约9000万,让身体有残疾的人能够站起来意义非凡。第二市场是可逆康复市场,主要针对于因为手术原因卧床治疗造成的临时肌肉萎缩、智能康复人群,每年约2500万的循环人群和机构合作建立渠道。
未来,外骨骼机器人的主要市场一定还是消费级市场,如针对户外行走、徒步、爬山、攀登等轻应用,生产适用于膝盖、大腿、鞋子、手臂等单个部件形式的产品,这部分的市场没有确定参数,但空间十分巨大。
希望在不久将来,随着材料等问题的攻克,外骨骼机器人最终能够价格不断下降,最终实现数万元甚至数千元的量级,这时候市场无疑将迎来一个巨大突破。而如果能把外骨骼机器人卖成普遍性的服装,或许人类探索未知的宇宙,也就不再是遥不可及的梦想。
声明:本文节选自网络,略有删减,版权归原著所有,侵权即删。