文｜觀察未來科技
在科幻電影中，身著奇異裝甲的人類往往能夠獲得極其強大的能力。比如《鋼鐵俠》中能將整個身體包裹起來的特殊外套一樣，這種特殊外套其實就是所謂的外骨骼，借助于外骨骼，通過機械設(shè)備與肌肉骨骼系統(tǒng)協(xié)同工作，人們就能獲得超越自身的力量。
如今，在現(xiàn)實中，也已經(jīng)有了一批身負(fù)外骨骼裝置的人，借助這種科幻式的技術(shù)，癱瘓的人群能夠重新站立，再次行走。當(dāng)然，除了在康復(fù)健康領(lǐng)域，外骨骼的應(yīng)用場景還有很多。其中最受關(guān)注的一個應(yīng)用，就是未來有一天我們或許也會用機械仿生體來維修和升級我們的身體。
在不遠的將來，我們或許根本不需要穿戴假肢就能夠成為一個機械仿生人。一種新型的外骨骼裝置可以為每個人都帶來不可思議的綠巨人般的力量。不過，聽起來美好的背后，還需要面臨諸多挑戰(zhàn)。
最重要的應(yīng)用
嚴(yán)格意義上，外骨骼并不算一個太新的概念，其早期雛形甚至可以追溯到蒸汽機時代，當(dāng)時的人們就已經(jīng)開始想象如何利用蒸汽動力輔助行走。1890年的美國專利中，已經(jīng)有人提出將機械結(jié)構(gòu)裝在人身上以增強人體跑步和跳躍能力 。
外骨骼的真正工程化落地還是在二戰(zhàn)之后，或許是從出于軍事的需要，比如，當(dāng)時通用電氣就曾做過一個全身的增力外骨骼。盡管各種研究也一直都有，但受制于當(dāng)時的工業(yè)水平，外骨骼也一直處于一個研究中的狀態(tài)。真正的商業(yè)化外骨骼出現(xiàn)在 2000 年左右，不過，在 2016 年之前，全球的專利數(shù)不超過 100 項，但在 2016 年之后則開始指數(shù)級增加。
外骨骼最為重要的應(yīng)用，顯然就是與腦機接口配合，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域幫助癱瘓或肢體殘疾的人們重新站立。2013 年，一項由美國杜克大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）主導(dǎo)的國際聯(lián)合項目，項目匯聚了來自世界各地的神經(jīng)科學(xué)家、機械工程師、神經(jīng)康復(fù)專家等各類專業(yè)人士，米格爾創(chuàng)立該項目的終極目標(biāo)就是想利用外骨骼和腦機接口的結(jié)合改變癱瘓者的生活質(zhì)量。
具體來看，研究團隊先是在患者頭部連接有收集大腦電信號的裝置，這些信號會通過無線設(shè)備傳輸?shù)交颊邆冸S身攜帶的機器中。在這里，來自大腦的電信號（外骨骼裝置中為運動信號）會被機器轉(zhuǎn)換成運動指令，接收到指令后，外骨骼裝置就能穩(wěn)定住患者的軀體，并根據(jù)信號來讓機械肢體前進或者后退。從患者大腦發(fā)出信號，到控制外骨骼運動，整個過程大約只需要 300 毫秒就能完成。
當(dāng)然，想要通過意念控制機械設(shè)備來讓癱瘓患者完成動作，還需要不斷進行調(diào)整，哪怕是簡單地握著水杯喝水，各種輸出和輸入信號都會在大腦的各個腦區(qū)之間傳送。這些信號能夠告訴患者從何種角度握住杯子不容易手滑，用多大的力能夠握緊杯子，杯子中的水是涼的還是熱的。這意味著，患者不能只是單純地輸出信號來控制機械裝置，他們的大腦同樣需要接收到反饋。
因此，在米格爾的外骨骼裝置中，每一只機械下肢的頂端都配置了一塊可以感受溫度、壓力和距離的感受器，研究團隊將其稱作人造皮膚。通過這塊感受器，患者就能夠感受到來自腳部的感覺，他們不僅能夠利用機械外骨骼做一些想做的動作，還能夠知道自己走路的狀態(tài)。
如今，已經(jīng)有越來越多的外骨骼設(shè)備被用于幫助癱瘓患者和肢體殘疾的患者，通過將大腦直接連接到外骨骼，這些病人就可以活動他們癱瘓的四肢。盡管外骨骼技術(shù)目前仍然處于極早期的發(fā)展階段，但外骨骼的價格、重量、電池壽命以及外形等正在得到改進。
總有一天，人們很可能會把這些外骨骼穿在他們的衣服下，并且在沒有人能夠察覺的情況下四處走動。四肢癱瘓的人們也可以過上接近正常人的生活。四肢癱瘓的人們可能會穿上一條超級輕便柔軟的外骨骼褲子，然后就像什么也沒有發(fā)生一樣繼續(xù)一天的正常生活。
外骨骼能做什么？
當(dāng)然，在醫(yī)療康復(fù)的行業(yè)之外，外骨骼的應(yīng)用或許比我們想得更加廣泛，從戰(zhàn)場到工廠，穿戴式人造骨骼及肌肉都正為人們帶來幫助與保護。
比如，在戰(zhàn)場，即便全副武裝，在士兵身上依然有許多地方尚未被防彈衣和頭盔覆蓋。事實上，這樣的面積約為81%。添加更多的護甲將會過于沉重而不可行。解決的方法之一就是打造配有人造肌肉的另一套外部骨架，能讓佩戴者毫不費力地背負(fù)起重得多的裝備。
對于此，最先進的一款產(chǎn)品是由佛蒙特州的Revision Military公司制造的“動力作業(yè)套裝”（Kinetic Operations Suit ，KOS）。該產(chǎn)品令士兵得到三倍的盔甲保護而不會對其行動增添多少負(fù)擔(dān)。
其中，人造關(guān)節(jié)脊柱把裝備頭盔（完全覆蓋穿戴者的頭部）的大部分重量轉(zhuǎn)移到肩膀的護甲上。同樣，保護軀干的護甲也通過人造脊柱的另一部分把重量轉(zhuǎn)移到臀部和腿部。盡管這些減輕了對頸部和下背部的壓力，但士兵的腿部仍須承受額外的重量。為了解決這一問題，KOS將鈦鋁合金傳動裝置綁到士兵的下肢上，配合盔甲使用。電動馬達接收到加速度計等內(nèi)置傳感器的指示后，帶動這些傳動裝置與士兵的雙腿同步移動。
據(jù)如今在Revision Military公司工作的美軍前特種部隊士兵布萊恩·道林（Brian Dowling）表示，該系統(tǒng)夠輕便也夠結(jié)實，可幫助穿戴者在全副武裝之下奔跑于崎嶇地形之上。包括美國在內(nèi)的多國軍方正在評估這樣的宣傳。
比KOS更具野心的另一款軍用外骨骼則由特種部隊自行開發(fā)。該項目的承包商包括美國許多知名的防務(wù)公司，如通用動力（General Dynamics）、洛克希德馬?。↙ockheed Martin）和雷神（Raytheon）。
這些公司將這一產(chǎn)品命名為“戰(zhàn)術(shù)突擊輕型作業(yè)套裝”（Tactical Assault Light Operator Suit，TALOS）。TALOS的重量將是穿戴它的士兵體重的兩倍。部件雖重，卻可令整套裝備防御子彈和彈片。它還為穿戴者提供降溫系統(tǒng)、一組監(jiān)控其生理指標(biāo)的傳感器，以及超人般的力量。
當(dāng)然，外骨骼并不只是只有醫(yī)療和戰(zhàn)場的應(yīng)用。在工業(yè)領(lǐng)域，外骨骼也大有所用。美國機械仿生體公司（US Bionics）已經(jīng)開發(fā)出了一系列工業(yè)用外骨骼，以保證工人在處理大體積的重型負(fù)荷時不會扭傷背部、手臂以及腿部。其目的正式是減少與工作有關(guān)的傷害并提高工人的工作效率。
此外，還有由洛克希德馬丁公司和英國防務(wù)巨頭BAE系統(tǒng)公司（BAE Systems）開發(fā)的無動力外骨骼已投入使用——用于工業(yè)生產(chǎn)而非軍事用途。
這款重17.5公斤的無動力外骨骼，名為FORTIS。美國海軍及十多家制造企業(yè)正在試用該系統(tǒng)。 FORTIS的鉸接式鋁制框架撐起一個萬向臂。工人身前的萬向臂一端與其使用的工具相連接。工人身后的另一端附有相應(yīng)的配重。
無論工人是以站姿還是跪姿操作，工具及配重的總重量會通過外骨骼而非其自身骨骼被轉(zhuǎn)移到地面上。
另外，在德國弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer Institute）斯圖加特校區(qū)負(fù)責(zé)Robo-Mate研發(fā)項目的卡門·康斯坦丁內(nèi)斯庫觀察到，這些產(chǎn)品還將重新定義勝任工人的資格。外骨骼消除了男性的體力優(yōu)勢，使得女性有機會從事如今覺得費力的工作。它們也會幫到那些原本不得不放棄工作的年長男性。
在外骨骼世界到來之前
在外骨骼技術(shù)的支持下，在不遠的將來，任何一個人都能夠成為一個機械仿生人。當(dāng)然，在實現(xiàn)穿戴式外骨骼這一目標(biāo)之前還要克服重重障礙。
首先，穿戴式外骨骼想要實現(xiàn)自如的控制，就需要研發(fā)出可以一次性安全可靠地植入人大腦里數(shù)年之久的新一代微型芯片。而事實上，與皮層相關(guān)的芯片植入方式如今卻還面臨著慢性神經(jīng)炎癥，局部腦組織損傷，以及局部腦組織損傷帶來的細(xì)胞反應(yīng)，比如小神經(jīng)膠質(zhì)反應(yīng)和星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)，還有電極穿透時引發(fā)的細(xì)胞外基質(zhì)變化的反應(yīng)。這些都是因電極植入引起的慢性腦組織反應(yīng)，他們不僅會影響信號長期收集，還會引起人腦可能的惡性變異。
其次，需要研發(fā)出無線傳感器，這樣才能保證外骨骼可以自由行走——固定在穿戴者腰帶或其他部位的手機般大小的計算機負(fù)責(zé)接收大腦發(fā)出的無線信號。
再次，通過計算機解碼和編譯大腦所傳出的信號的新技術(shù)一定要跟得上。對于猴子而言，控制機械手臂需要數(shù)百個神經(jīng)元。而對于人類，至少需要數(shù)千個神經(jīng)元才能控制一只胳膊或一條腿。但如今，現(xiàn)有的電極陣列再怎么精密，考慮到實際的實驗情況，一次能夠同時記錄到的神經(jīng)元信號數(shù)目也基本都只有兩位數(shù)，相比于整個大腦，甚至僅僅一個腦區(qū)或者核團之中天文數(shù)字的神經(jīng)元總數(shù)，這么一點樣本量究竟能說明多少問題本身都是個問題。
最后，還要有足夠的便攜式能源供應(yīng)裝置，支撐整套外骨骼系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。到目前為止，國內(nèi)外的機械外骨骼的驅(qū)動裝置大都是以蓄電池供電，但蓄電池的移動范圍以及其負(fù)重重量也成為限制機械外骨骼自由度以及應(yīng)用范圍的重要因素。一方面，蓄電池電量和效率的限制，使得單次充電續(xù)航里程有限，其移動范圍受到限制，無法滿足機械外骨骼的長距離運動需求。另一方面，蓄電池的功率有限。其動力明顯不足，無法滿足外骨骼機器人高負(fù)重工作的需要。因此，給機械外骨骼裝配輕便持久高效的動力系統(tǒng)依然是眼下急需解決的問題。
外骨骼技術(shù)的誕生，是為了將人體與機械進行結(jié)合，這當(dāng)然許諾了人們美好的應(yīng)用前景：像《鋼鐵俠》中的Mark一樣，鋼鐵俠全身覆甲抵御攻擊，內(nèi)置制導(dǎo)、激光武器，推進器，飛行平衡器及生命維持與急救裝置；全身信息感知覆蓋，搭載了智能AI及衛(wèi)星無線連接功能。同為科幻系列的流浪地球中登場外骨骼則更多的體現(xiàn)了工程搶險救災(zāi)的一面，在危難場景協(xié)助使用者突出重重險境，電影中軍用型外骨骼做到了可搭載重型裝備，形成個人機動火力點，對目標(biāo)進行壓制。《光環(huán)》系列中士官長所裝備的作戰(zhàn)服則更像是人類在遙遠的遠未來時代進行外星殖民的必備裝備。而“使命召喚-高級戰(zhàn)爭”的背景環(huán)境就是近未來的2054年，所登場的單兵外骨骼更加符合實際的軍事需求。
但對技術(shù)熱情的期盼之下，這也涉及了一個更深刻的問題：在擺脫肉身束縛時，我們的身體和大腦又到底想要多大的控制范圍？未來外骨骼，又將帶領(lǐng)人類進入怎樣的世界 ？