从延伸器官到机械仿生,外骨骼将带来什么?

根新未来

根新未来

· 2022.09.28 12:50

或许,在不远的将来,一种新型的外骨骼装置可以为每个人都带来不可思议的绿巨人般的力量。

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从延伸器官到机械仿生,外骨骼将带来什么?

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图片来源@视觉中国

文|根新未来,作者|陈根

在科幻电影中,身着奇异装甲的人类往往能够获得极其强大的能力。比如《钢铁侠》中能将整个身体包裹起来的特殊外套一样,这种特殊外套其实就是所谓的外骨骼,借助于外骨骼,通过机械设备与肌肉骨骼系统协同工作,人们就能获得超越自身的力量。

如今,在现实中,也已经有了一批身负外骨骼装置的人,借助这种科幻式的技术,瘫痪的人群能够重新站立,再次行走。当然,除了在康复健康领域,外骨骼的应用场景还有很多。其中最受关注的一个应用,就是未来有一天我们或许也会用机械仿生体来维修和升级我们的身体。

在不远的将来,我们或许根本不需要穿戴假肢就能够成为一个机械仿生人。一种新型的外骨骼装置可以为每个人都带来不可思议的绿巨人般的力量。不过,听起来美好的背后,还需要面临诸多挑战。

最重要的应用

严格意义上,外骨骼并不算一个太新的概念,其早期雏形甚至可以追溯到蒸汽机时代,当时的人们就已经开始想象如何利用蒸汽动力辅助行走。1890年的美国专利中,已经有人提出将机械结构装在人身上以增强人体跑步和跳跃能力 。

外骨骼的真正工程化落地还是在二战之后,或许是从出于军事的需要,比如当时通用电气就做过一个全身的增力外骨骼。尽管各种研究也一直都有,但受制于当时的工业水平,外骨骼也一直处于一个研究中的状态。真正的商业化外骨骼出现在 2000 年左右,不过,在 2016 年之前,全球的专利数不超过 100 项,但在 2016 年之后则开始指数级增加。

外骨骼最为重要的应用,显然就是与脑机接口配合,在医疗康复领域帮助瘫痪或肢体残疾的人们重新站立。2013 年,一项由美国杜克大学的神经科学家米格尔·尼科莱利斯(Miguel Nicolelis)主导的国际联合项目,项目汇聚了来自世界各地的神经科学家、机械工程师、神经康复专家等各类专业人士,米格尔创立该项目的终极目标就是想利用外骨骼和脑机接口的结合改变瘫痪者的生活质量。

具体来看,研究团队先是在患者头部连接有收集大脑电信号的装置,这些信号会通过无线设备传输到患者们随身携带的机器中。

在这里,来自大脑的电信号(外骨骼装置中为运动信号)会被机器转换成运动指令,接收到指令后,外骨骼装置就能稳定住患者的躯体,并根据信号来让机械肢体前进或者后退。从患者大脑发出信号,到控制外骨骼运动,整个过程大约只需要 300 毫秒就能完成。

当然,想要通过意念控制机械设备来让瘫痪患者完成动作,还需要不断进行调整,哪怕是简单地握着水杯喝水,各种输出和输入信号都会在大脑的各个脑区之间传送。

这些信号能够告诉患者从何种角度握住杯子不容易手滑,用多大的力能够握紧杯子,杯子中的水是凉的还是热的。这意味着,患者不能只是单纯地输出信号来控制机械装置,他们的大脑同样需要接收到反馈。

因此,在米格尔的外骨骼装置中,每一只机械下肢的顶端都配置了一块可以感受温度、压力和距离的感受器,研究团队将其称作人造皮肤。通过这块感受器,患者就能够感受到来自脚部的感觉,他们不仅能够利用机械外骨骼做一些想做的动作,还能够知道自己走路的状态。

如今,已经有越来越多的外骨骼设备被用于帮助瘫痪患者和肢体残疾的患者,通过将大脑直接连接到外骨骼,这些病人就可以活动他们瘫痪的四肢。尽管外骨骼技术目前仍然处于极早期的发展阶段,但外骨骼的价格、重量、电池寿命以及外形等正在得到改进。

总有一天,人们很可能会把这些外骨骼穿在他们的衣服下,并且在没有人能够察觉的情况下四处走动。四肢瘫痪的人们也可以过上接近正常人的生活。四肢瘫痪的人们可能会穿上一条超级轻便柔软的外骨骼裤子,然后就像什么也没有发生一样继续一天的正常生活。

外骨骼能做什么?

当然,在医疗康复的行业之外,外骨骼的应用或许比我们想得更加广泛,从战场到工厂,穿戴式人造骨骼及肌肉都正为人们带来帮助与保护。

比如,在战场,即便全副武装,在士兵身上依然许多地方尚未被防弹衣和头盔覆盖事实上,这样的面积约为81%。添加更多的护甲将会过于沉重而不可行。解决的方法之一就是打造配有人造肌肉的另一套外部骨架,能让佩戴者毫不费力地背负起重得多的装备。

对于此,最先进的一款产品是由佛蒙特州的Revision Military公司制造的“动力作业套装”(Kinetic Operations Suit ,KOS)。该产品令士兵得到三倍的盔甲保护而不会对其行动增添多少负担。

其中,人造关节脊柱把装备头盔(完全覆盖穿戴者的头部)的大部分重量转移到肩膀的护甲上。同样,保护躯干的护甲也通过人造脊柱的另一部分把重量转移到臀部和腿部。尽管这些减轻了对颈部和下背部的压力,但士兵的腿部仍须承受额外的重量。

为了解决这一问题,KOS将钛铝合金传动装置绑到士兵的下肢上,配合盔甲使用。电动马达接收到加速度计等内置传感器的指示后,带动这些传动装置与士兵的双腿同步移动。

据如今在Revision Military公司工作的美军前特种部队士兵布莱恩·道林(Brian Dowling)表示,该系统够轻便也够结实,可帮助穿戴者在全副武装之下奔跑于崎岖地形之上。包括美国在内的多国军方正在评估这样的宣传

比KOS更具野心的另一款军用外骨骼则由特种部队自行开发。该项目的承包商包括美国许多知名的防务公司,如通用动力(General Dynamics)、洛克希德马丁(Lockheed Martin)和雷神(Raytheon)。

这些公司将这一产品名为“战术突击轻型作业套装”(Tactical Assault Light Operator Suit,TALOS)。TALOS的重量将是穿戴它的士兵体重的两倍。部件虽重,却可令整套装备防御子弹和弹片。它还为穿戴者提供降温系统、一组监控其生理指标的传感器,以及超人般的力量。

当然,外骨骼并不只是只有医疗和战场的应用。在工业领域,外骨骼也大有所用。美国机械仿生体公司(US Bionics)已经开发出了一系列工业用外骨骼,以保证工人在处理大体积的重型负荷时不会扭伤背部、手臂以及腿部。其目的正式是减少与工作有关的伤害并提高工人的工作效率。

此外,还有由洛克希德马丁公司和英国防务巨头BAE系统公司(BAE Systems)开发的无动力外骨骼已投入使用——用于工业生产而非军事用途。

这款重17.5公斤的无动力外骨骼,名为FORTIS。美国海军及十多家制造企业正在试用该系统。 FORTIS的铰接式铝制框架撑起一个万向臂。工人身前的万向臂一端与其使用的工具相连接。工人身后的另一端附有相应的配重。

无论工人是以站姿还是跪姿操作,工具及配重的总重量会通过外骨骼而非其自身骨骼被转移到地面上。

另外,在德国弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)斯图加特校区负责Robo-Mate研发项目的卡门·康斯坦丁内斯库观察到,这些产品还将重新定义胜任工人的资格。外骨骼消除了男性的体力优势,使得女性有机会从事如今觉得费力的工作。它们也会帮到那些原本不得不放弃工作的年长男性。

在外骨骼世界到来之前

在外骨骼技术的支持下,在不远的将来,任何一个人都能够成为一个机械仿生人。当然,在实现穿戴式外骨骼这一目标之前还要克服重重障碍。

首先,穿戴式外骨骼想要实现自如的控制,就需要研发出可以一次性安全可靠地植入人大脑里数年之久的新一代微型芯片

而事实上,与皮层相关的芯片植入方式如今却还面临着慢性神经炎症,局部脑组织损伤,以及局部脑组织损伤带来的细胞反应,比如小神经胶质反应和星形胶质细胞反应,还有电极穿透时引发的细胞外基质变化的反应。这些都是因电极植入引起的慢性脑组织反应,他们不仅会影响信号长期收集,还会引起人脑可能的恶性变异。

其次,需要研发出无线传感器,这样才能保证外骨骼可以自由行走——固定在穿戴者腰带或其他部位的手机般大小的计算机负责接收大脑发出的无线信号。

再次,通过计算机解码和编译大脑所传出的信号的新技术一定要跟得上。对于猴子而言,控制机械手臂需要数百个神经元。而对于人类,至少需要数千个神经元才能控制一只胳膊或一条腿。但如今,现有的电极阵列再怎么精密,考虑到实际的实验情况,一次能够同时记录到的神经元信号数目也基本都只有两位数,相比于整个大脑,甚至仅仅一个脑区或者核团之中天文数字的神经元总数,这么一点样本量究竟能说明多少问题本身都是个问题。

最后,还要有足够的便携式能源供应装置,支撑整套外骨骼系统的运转。到目前为止,国内外的机械外骨骼的驱动装置大都是以蓄电池供电,但蓄电池的移动范围以及其负重重量也成为限制机械外骨骼自由度以及应用范围的重要因素。

一方面,蓄电池电量和效率的限制,使得单次充电续航里程有限,其移动范围受到限制,无法满足机械外骨骼的长距离运动需求。另一方面,蓄电池的功率有限。其动力明显不足,无法满足外骨骼机器人高负重工作的需要。因此,给机械外骨骼装配轻便持久高效的动力系统依然是眼下急需解决的问题。

外骨骼技术的诞生,是为了将人体与机械进行结合,这当然许诺了人们美好的应用前景:像《钢铁侠》中的Mark一样,钢铁侠全身覆甲抵御攻击,内置制导、激光武器,推进器,飞行平衡器及生命维持与急救装置;全身信息感知覆盖,搭载了智能AI及卫星无线连接功能。

同为科幻系列的流浪地球中登场外骨骼则更多的体现了工程抢险救灾的一面,在危难场景协助使用者突出重重险境,电影中军用型外骨骼做到了可搭载重型装备,形成个人机动火力点,对目标进行压制。《光环》系列中士官长所装备的作战服则更像是人类在遥远的远未来时代进行外星殖民的必备装备。而“使命召唤-高级战争”的背景环境就是近未来的2054年,所登场的单兵外骨骼更加符合实际的军事需求。

对技术热情的期盼之下,这也涉及了一个更深刻的问题:在摆脱肉身束缚时,我们的身体和大脑又到底想要多大的控制范围?未来外骨骼,又将带领人类进入怎样的世界 ?

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