科幻迷憧憬的外骨骼不但酷炫也很實用,但價位與諸多問題仍留待解決

作者 | 發布日期 2019 年 08 月 19 日 11:51 | 分類 尖端科技 , 機器人 , 生物科技 follow us in feedly


尼古拉斯‧葛茲(Nicholas Gotts)是福特汽車的員工,過去 6 年裡,他幾乎每天都在福特旗下的野馬跑車生產線忙碌,做最多的事情就是扭螺絲。

在汽車生產線,員工大多使用工業級電鑽機,站在汽車底盤下方,將電鑽機舉過頭頂,才能用螺絲固定框架。這個動作葛茲每天大概要做 500 次,這也使他很早罹患腰肌勞損。

但從去年開始,葛茲在生產線動作變得輕快許多,也不像以前一樣做一下就要停下來休息。

祕密在於葛茲身上特殊的工作背心:主體是一塊金屬背板,由兩側肩帶和腰間環形臀帶支撐,相連的管狀支架則從後背一直延展到雙臂兩端。

因為構造和設計和人體骨架相似,這種奇怪的裝置也有個抽象的名稱,叫「外骨骼」。

▲ 1890 年,俄羅斯發明家 Nicholas Yagn 設想的輔助行走裝置圖。

自蒸汽時代起,一名俄羅斯人就曾萌生「用外置骨架配合壓縮氣囊的方式改善人類運動力」的想法,但當時並未整合電源供應系統,反而需要人自己花力氣操作,動力沒多少,負擔倒是重了許多。

▲ 60 年前,通用電氣公司應美國軍方要求開發的外骨骼裝甲。(Source:ВОЕННОЕ ОБОЗРЕНИЕ

到了 1960 年代,真正意義上內建動力系統的外骨骼裝置才出現。當時,通用電氣公司應美國軍方要求,開發了名為「Hardiman」的增強型裝甲,號稱能讓使用者舉起近 700 公斤的重物──相當於舉起一頭水牛。

然而,歷經 60 年,大部分人對外骨骼的認知仍然只停留在電影和遊戲作品,滿足了少數人對超能力的想象,卻更像娛樂化的產品。

而在現實世界,這個看似能賦予人體奇特能力的裝置,卻沒有那麼令人矚目。

因外骨骼而改變的醫療、工業和軍事領域

收到福特汽車的訂單前,Ekso Bionics 公司已獲得開啟醫療市場的鑰匙。

2012 年,Ekso Bionics 推出首款外骨骼支架裝置 Ekso GT,開始與當地神經康復中心合作,讓截肢或癱瘓者、其他行動不便的病人能重新獲得站立能力,或是用於步行訓練。

▲ 截肢或癱瘓者使用 Ekso GT 用於步行訓練。(Source:Royal Bucks Hospital

整套裝置由鋁合金和鈦合金構成,雖然重量高達 20 公斤,但由於有獨立支撐架構,以及連線的金屬支架,重量會轉到最底的腳板,所以穿戴者並不會有明顯的負重感。

同時,腿部和膝關節的感測器還會偵測患者的運動能力,再透過電動馬達施加外力,幫助患者雙腿行動。

4 年後,這款裝置拿到美國 FDA 食品藥品管理局許可,意味著 Ekso GT 能名正言順用於治療脊椎受損或中風患者。

Ekso Bionics 創始人 Russ Angold 回憶,在醫療領域嶄露頭角後,便開始有人問他,是否有針對工人的外骨骼裝置,福特便是其中一家。

他們問我,既然癱瘓的人可以重新走路,那麼你們能用同樣的技術,讓工人變得更強壯嗎?

事實上,但舉凡那些需要舉起手臂、並長時間保持同姿勢工作的人──如要肩扛巨大器材的攝影師、餐廳服務生或精密儀器維修的電工等,或多或少有手臂和肩部肌肉勞損,甚至蔓延到背部和腰部,對日常生活造成影響。

▲ 福特汽車生產線使用的 EksoVest 外骨骼。

為了降低長期重複作業造成的身體損傷,自 2017 年起,福特汽車開始與 Ekso Bionics 合作,在美國兩家工廠測試新的工業用外骨骼裝置「EksoVest」,一年後,這種裝置適用範圍擴大至福特全球 15 個地區工廠

如今,福特不是唯一一家將外骨骼裝置運用到工廠生產線的公司。在加拿大胡士托市的豐田汽車工廠,同樣有近 200 名工人同樣使用 Levitate 公司的「Airframe」外骨骼協助超音波焊接的偵測工作,而 BMW 和波音公司的生產線也有類似產品的身影。

▲ 日本 Cyberdyne 公司研發的 HAL 外骨骼也在醫療領域使用多年。

可以說,對那些想保護工人、提高效率,並避免出現巨額醫療賠償的工廠來說,這些外骨骼無疑是不錯的幫手。

▲ Levitate 公司開發的「Airframe」外骨骼。

工人尼克‧范德巴恩(Nic Vanderbaan)表示,41 歲的他已很難脫下外骨骼工作,這就像有人幫他托起手臂並保持固定,如果他想把手垂下來,托力也會漸漸消失。

它不會讓你獲得超人般的怪力,但卻能減輕工作負擔。一旦習慣後,你就會把這些金屬支架視為自己身體的一部分。

至於在軍事領域,外骨骼的相關研究則更早,各大國一直都在加強對外骨骼的研究力度。如今很多民用領域的外骨骼技術,如前文提到的 Ekso Bionics,本身也有非常深厚的軍方背景。

目前,知名軍工企業洛克希德‧馬丁公司開發的 ONYX 外骨骼系統,正計劃今年下半年交付美軍進行野外測試,目的並非增強戰鬥能力,而是減輕使用者腿部和背部負荷,中國同樣展示過類似的原型產品。

此外,美國陸軍實驗室也在探索「第三臂」概念,即使用外掛小型機械手臂當武器支架,緩解士兵的肌肉疲勞。

當痛點問題解決之後,外骨骼就逐漸成為這些產業切實的需求,但對大部分普通人來說,想要親身接觸到外骨骼仍不是容易的事。

普通人想擁有外骨骼依舊很難,成本就是個大問題

每家生產外骨骼的公司,都希望自家裝置能更廣泛普及。畢竟,如果它能讓截肢或癱瘓者重新獲得行走的能力,為什麼無法取代輪椅?

這涉及兩個難點,一是高昂的成本,二是電池問題。

(Source:StreetRegister

2017 年,《華盛頓郵報》報導因手術失敗導致下肢癱瘓的患者,當時她在康復中心藉助以色列 ReWalk 公司的外骨骼產品重新獲得行動能力,但溝通理賠時卻遭到保險公司拒絕,理由是「擔心裝置的安全性和實用性」,所以並未將外骨骼列入投保範圍。

當時,一套 ReWalk Presonal 6.0 外骨骼套裝的價格約為 8 萬美元,Parker Hannifin 公司生產的 Indego 接近 10 萬美元,至於前文提及的 Ekso GT 還更貴,大概 15 萬美元,這遠遠超出一個家庭可負擔的範圍。

也因如此,目前大部分外骨骼公司的銷售目標只能集中在大型康復中心、醫院或是工廠,如果個人想購買,獲得保險公司補貼會是不錯的方法,但前提是保險公司承認。

(Source:wjct

「他們對外骨骼的預期是,不僅能幫助人們恢復行走能力,還可以提供一定的醫療效用或幫助。」耶魯大學放射學教授 Howard Forman 說,他認為目前外骨骼裝置的定價,超過保險公司眼中的價值。

不過,一些外骨骼產品也會強調改善人體機能。如 ReWalk 產品介紹,就標注「可降低患者的體脂、改善肌肉對姿勢的控制、平衡腸道及膀胱功能,並提高氧氣代謝及心率」等字樣。然而具體改善功效因人而異,故很難有明確的量化指標。

此外,動力外骨骼往往內建大量偵測感測器和液壓裝置,如果不想拖著一根電線走來走去,唯一的辦法就是自帶電池,可現階段多數裝置僅能堅持數小時續航,限制了戶外行動範圍,在有限的體積下,堆電池肯定行不通。

殘酷的現實是,假如一台外骨骼失去電源供應系統,和一堆廢鐵也沒什麼差別,這也是為什麼至今仍很難在軍事領域看到大規模使用外骨骼裝置。

當然,已經有公司開始研究低成本,以及輕型化設計的外骨骼裝置,使用更輕的材料、更緊湊的造型,或是引入 AI 技術,讓這些機械支架更精準地辨識肢體動作。

(Source:TechCrunch

加州大學柏克萊分校和 SuitX 就曾做過不那麼奢侈的成品。兩者合作的 MAX 將外骨骼分為背部、肩部和腿部,各零件定價不超過 5 千美元,買家可根據實際需要入手全套裝置,也能只選其中一兩件,金錢壓力明顯小不少。

之後,SuitX 還計劃打造更多智慧化、低成本的外骨骼裝置,比如幫運動員減少氧氣消耗量,使其獲得更長的跑步時間。

(Source:Wired

在美國范德堡大學,工程師還研究出彈簧驅動的外骨骼裝置。和幾乎布滿全身的金屬支架不同,這個外骨骼只有踝關節部分,僅 400 多克重,加上不需要設計電池和動力系統,原型產品的成本僅 100 美元。

這和卡內基美隆大學之前發明的踝關節外骨骼十分相似,兩者都宣稱可減少使用者小腿肌肉的負擔,緩解走路時承受的壓力。

外骨骼走向商用的背後,也是人與機器關係的不斷演變

據 ABI Research 研究報告,今天,整個外骨骼市場的硬體收入僅 1.92 億美元,預計 2028 年會達到 58 億美元規模。

除了工業、醫療和軍事領域,外骨骼似乎還沒有找到更合適的使用場景。這不僅是因為價格高低,還要回答能拿來幹什麼的問題,總不能說,我們買外骨骼就是為了搬磚頭吧?

何況在這些領域,外骨骼面對的競爭不僅有同行,還有其他新興技術,比如成本同樣在下降的 AI 智慧機器人。

▲ 某些外骨骼可讓需要長期站立工作的人享受坐「空氣板凳」的便利性。

在倉儲、物流和服務業等多個領域,AI 智慧機器人已能完全取代人類;而對追求效率、想全天候運作的工廠來說,一個能 24 小時不間斷工作、不知勞累、甚至不會犯錯的機器人,比人本身更吸引人。

也有人開始擔心,外骨骼普及會衍生新矛盾。英國工程技術學會教授諾爾‧沙基(Noel Sharkey)接受 BBC 採訪時就說

如果工人穿上外骨骼工作,疲勞感減少了,那麼工廠是否會要求他們做更長的工時?沒人能阻止這種情況發生。

7 月美國舊金山 Gray 藝術節,一群身穿外骨骼的人在黑暗風格濃郁的工業電子配樂下起舞,每個人的動作都高度一致,宛如提線木偶。

(Source:The Sun

真相是,在開演之前,舉辦方將事先編排好的舞蹈動作程式檔導入每個外骨骼裝置,這意味著觀眾看到的舞姿,都是由金屬支架和液壓缸組成的外骨骼決定,人不過是道具而已。

創作者路易斯─菲利普‧德默斯(Louis-Philippe Demers)說,他希望透過這場向義大利詩人但丁《地獄篇》致敬的表演,重新啟發人們對技術、機器控制議題的思考。

但也有人另闢蹊徑,選擇把外骨骼變成內骨骼,直接和人體融合,變成組織的一部分。

(Source:Brewminate

麻省理工學院的休‧赫爾(Hugh Herr)教授就把自己稱為「仿生人」,他在某次登山事故失去了雙腿,之後就接上包含人造電極的義肢,與大腿神經相連,以便更靈活地控制自己的「雙腳」。

2014 年的 TED 演講,他表達一個觀點:

我相信植入式神經終究會超過義肢的範疇,進一步延伸至外骨骼領域,讓人類僅靠意念和感覺來控制,並從根本上創造重新認識自我潛能的領域。

或許外骨骼的迷人之處,恰恰在於人類的全面參與感,就好像無論外穿鎧甲的鋼鐵人,還是內長金屬的金剛狼,意識都還是屬於自己,無需拱手讓賢智慧機器人,只是如果我們選擇讓自己全面機械化,人類還是人類嗎?

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:shutterstock)

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