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不久前科技前哨和大家介绍过机器人驾驶员，通过人控制机器人完成各种困难任务的组合，今天我们为大家带来了另一种人和机器协作的模式——人工外骨骼。
人工外骨骼简单说就是装在人身上的机器人设备，是科幻小说中的常客，钢铁侠身上的机器铠甲其实也属于人工外骨骼的一种，能让普通人拥有更大的力气，承受更大的重量。
如今这项技术已经成熟，在工业流水线、医疗康复领域都有采用，具备了大规模应用的潜力，今天前哨就和大家一起了解清楚人工外骨骼技术格局，面对的主要问题，未来会如何发展。
1.人工外骨骼的历史
最早的人工外骨骼是俄罗斯人尼古拉斯·亚格（Nicholas Yagn）在1890年发明的。这套机械装置利用弹簧和机械结构，能够在使用者移动时重新分配重量，减轻人在行走、跑跳时的能量消耗，不过它本身重量过大，弹簧只能被动提供助力，最终没有得到实际应用。
1917年，美国人莱斯利·凯利（Lesley C. Kelley）发明了新的设备，希望采用小型蒸汽机驱动线束主动提供助力，结果同样失败了。显然这时的技术储备并不到位。
直到20世纪60年代，人工外骨骼随着电机技术发展迎来了一次大的飞跃。1965年，在通用电气和美国陆军海军的资助下“哈迪曼一号”人工外骨骼设备推出，这套设备采用液压系统提供动力。
康奈尔航空实验室的尼尔·米森（Neil J. Mizen）则发明了另一种全身动力外骨骼，这套外骨骼用上了机器人的标配伺服电机，能响应人体活动提供力量支持。
在随后的几十年里，科学和技术的进步使该领域取得了更大的进步，不过受限于电机大小、供电需求，很长一段时间外骨骼的应用主要在康复领域。
1970年代末，手臂外骨骼被开发出来，被归类为矫正器，重点是提供手臂支撑。1980年，新的腿部装置“机械腿部推进辅助装置”获得专利，用于帮助腿部伤病人士恢复行走。1990年代，真正类似科幻作品的全身外骨骼产品被开发出来，采用液压系统提供动力，微处理器控制执行器，已经有了今天人工外骨骼的雏形。
2. 人工外骨骼的现在
到了21世纪，得益于人工智能、计算机仿真、电池等技术的发展，人工外骨骼也大为受益。
以伯克利研发的下肢外骨骼（BLEEX）为例，这套设备采用液压执行器和微控方案，使用CAD软件模拟创建，减少了很多原型开发时间，最终产品能够额外提供75公斤的支撑力，在快走、慢跑场景下已经可以大幅降低使用者的氧气消耗。
根据Scopus的数据，2010年至2015年期间，共发表了3147篇关于人工外骨骼的期刊论文；2016年至2020年期间增加到了5244篇。大量研究都涉及人工智能、仿真模拟等技术。
如今的人工外骨骼更是直接应用到了生产之中。德国仿生公司推出的Cray X全连接外骨骼系统，在传统人工外骨骼的基础上集成了AI软件，主动提供助力的同时，还拥有智能安全陪伴功能，可以监测佩戴者的不良身体姿态，提前预警疲劳。
这套外骨骼还拥有OTA更新能力，开发商会根据客户的需求定制更新来不断改进产品。
2019年来，宜家一直在欧洲仓库中使用Cray X外骨骼，保护其工人免受伤害；宝马德国分公司的工人在更换轮胎时利用Cray X来保护背部肌肉，避免后背长期借力导致拉伤。德国仿生目前正在与包裹递送公司DPD进行测试，看看这套设备能否用在20公斤以上的包裹搬用中。
德国仿生公司统计，Cray X可以为企业减少25%的病假，为每位工人每小时提供1吨以上的动力辅助。
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3. 机会和挑战
根据世界卫生组织统计，2050年随着人口老龄化、劳动损伤等因素，将有20亿人需要活动辅助设备，不少人认为届时人工外骨骼会有大的市场展开，不过要做到这点，人工外骨骼技术还需要迈过几个难关。
首先，需要更好的人工智能算法和结构设计，为用户提供更个性化的辅助。
在康复、工业等场景中，人工外骨骼需要提供的辅助场景比较固定，稍作开发就能呈现很好的效果。
生活场景中，人的活动模式多种多样，每个人的手臂、腿部长短也都有不同，如今的人工外骨骼的底层驱动大多还是模版化的，没有用上人工智能算法，缺乏灵活性。
在实验室、工厂的有限环境中辅助功能还毕竟稳定，在户外测试或测试条件略有变化时经常出现故障。
其次，硬件技术的制约还需要改进。
如果说人工智能还是个开发问题，那么硬件的制约则是真正的短板。
这当中电池续航的问题最为关键，在康复场景中，不少人工外骨骼使用的是电源供电不需要考虑电池问题；工业场景中，通常都有提供快速换电装置，但常规使用中这些条件都不具备，如何让辅助设备足够长的提供服务值得研究。
昨天我们提到的电动车能量回收方案或许能给一些启发，收集用户常规活动的能力，在关键时刻提供辅助可能更有价值。
最后，如何跨越需求裂谷，让大多数用户接受，这也是必须面对的问题。
根据国外机构统计，大多数普通人对辅助机械设备都还比较排斥，高达75%的用户拒绝使用上肢辅助设备，因为他们觉得不舒服、功能不足，如何迈过这道难关，不能简单依靠技术，必须找到真正的需求痛点才有望将新技术引入到我们的生活之中。
你觉得特斯拉的人形机器人和穿在身上的人工外骨骼，那种新技术会更快进入到我们身边呢？
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