14小時(shí)前
據我國第七次全國人口普查公報，目前國內65歲及以上人口約有1.9億人，占總比13.5%，并預計2021年底，我國將由老齡化社會(huì )（≥7%）進(jìn)入深度老齡化社會(huì )（≥14%）。老年人的身體機能衰退、肌肉功能退化等問(wèn)題，導致他們逐漸脫離社會(huì )，隨之帶來(lái)的是生活質(zhì)量與受尊重程度的雙重下降。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與國家對智慧養老、智能醫療的大力支持，科研人員也在努力探索著(zhù)如何應用科學(xué)技術(shù)來(lái)改善老年人的生活質(zhì)量、助力老年人重返社會(huì )，而外骨骼機器人（Exoskeleton）則以此目標為導向，正經(jīng)歷著(zhù)飛速地發(fā)展。
我國老年人口數量（左）與外骨骼機器人助力人體行走示意圖（右）（左圖數據來(lái)自第七次全國人口普查與聯(lián)合國世界人口展望，右圖來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
外骨骼機器人的發(fā)展史：由工業(yè)到醫療
外骨骼機器人是一種可穿戴的智能輔助設備，用于增強人體運動(dòng)機能，拓展人體與環(huán)境間的交互能力。外骨骼機器人根據能源利用方式，可分為兩類(lèi)：無(wú)源/被動(dòng)（Passive）外骨骼機器人與有源/主動(dòng)（Powered）外骨骼機器人，無(wú)源系統不需要外部供能，反之，有源系統需要外部供能，來(lái)驅動(dòng)機器人運動(dòng)。由1890年俄羅斯提出無(wú)源外骨骼機器人的概念，1917年美國提出有源外骨骼機器人的概念，到1965年美國通用公司構建出第一臺有源外骨骼機器人樣機（Hardiman），外骨骼機器人設計的初衷是用于輔助工人搬運重物，提升生產(chǎn)力。2000年，美國啟動(dòng)了增強人體體能外骨骼（EHPA）項目，計劃將外骨骼機器人用于專(zhuān)項領(lǐng)域。2010年，EHPA項目的部分成果被美國加州大學(xué)伯克利分校轉化，研制出Austin和eLegs醫療外骨骼機器人，促進(jìn)了外骨骼機器人在醫療、康復領(lǐng)域的應用轉型與發(fā)展。
1890年俄羅斯外骨骼機器人專(zhuān)利（左1），Hardiman（左2），Austin（左3）與eLegs（左4）（圖片均來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
外骨骼機器人的進(jìn)化史：由剛性外骨骼機器人到外肌肉機器人
事物發(fā)展的道路是曲折的，科學(xué)技術(shù)也不例外。第一臺樣機Hardiman在研發(fā)開(kāi)啟四年后，因運動(dòng)不可控、承載效率低等問(wèn)題，以“失敗”而告終。EHPA項目的勝出者，加州大學(xué)伯克利分校的HULC和美國Sarcos公司的XOS外骨骼機器人，也暴露出實(shí)用性低、輔助效果差等問(wèn)題，導致后續的研發(fā)工作幾近擱淺。
科研人員經(jīng)過(guò)分析論證得出結論，使用上述外骨骼機器人來(lái)增強人體的運動(dòng)機能很難實(shí)現，主要是因為它們龐大、笨重的剛性結構以及缺乏生物力學(xué)理論支撐的助力方式阻礙了人體的自然運動(dòng)規律。于是，研發(fā)者試圖打破源自“鋼鐵俠”的固有設計理念，嘗試將外骨骼機器人設計的更輕質(zhì)、柔性，助力方式更本質(zhì)、更符合人體生物力學(xué)。在此思維風(fēng)潮的推動(dòng)下，2011年美國啟動(dòng)了Warrior Web項目，旨在研發(fā)一種輕質(zhì)、舒適、如同衣服一般的柔性外骨骼機器人，實(shí)現在不影響人體自身運動(dòng)的前提下，提升人體運動(dòng)機能；2018年，歐盟啟動(dòng)了“XoSoft”項目，嘗試對柔性外骨骼機器人進(jìn)行探索與研究。
相較于剛性外骨骼機器人，柔性外骨骼機器人常采用柔性纖維織物、低質(zhì)量電機與柔彈性傳動(dòng)的設計方式，具有更高的人機共融度與良好的人體適應性，還可智能性地為穿戴者提供助力與透明模式，實(shí)現“按需助力”，即僅在人體需要輔助的時(shí)候提供助力模式，反之提供透明模式，讓人體感知不到機器人的存在。柔性外骨骼機器人一般通過(guò)驅動(dòng)人體骨關(guān)節旋轉來(lái)輔助人體運動(dòng)，但骨關(guān)節旋轉是人體運動(dòng)的最終表現形式，本質(zhì)上是由接收到運動(dòng)神經(jīng)信號的肌肉，通過(guò)收縮/舒張來(lái)拉伸肌腱，再牽引骨骼完成的。而人體肢體運動(dòng)障礙或運動(dòng)能力變弱，本質(zhì)上可能是由某一肌肉/肌肉群的功能性衰退造成的，若采用直接對目標肌肉進(jìn)行輔助的驅動(dòng)形式，則無(wú)疑是更高效，也是更符合人體生物力學(xué)的。為實(shí)現驅動(dòng)形式的本質(zhì)化，外肌肉機器人應需而生，它通過(guò)驅動(dòng)“附著(zhù)”在人體肌肉/肌腱外表面的人工肌肉線(xiàn)束，實(shí)現對目標肌群的精準輔助與肢體機能的有效增強。
外骨骼機器人發(fā)展階段圖（左，圖片來(lái)自參考文獻2）與哈佛大學(xué)外肌肉機器人概念圖（右，圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
近年來(lái)，外肌肉機器人由于其結構設計與輔助方式上的優(yōu)勢，開(kāi)始被科學(xué)以及應用等領(lǐng)域所關(guān)注。外肌肉機器人的相關(guān)論文多次在國際頂尖期刊Nature，Science，Science Robotics上發(fā)表，科研人員分別從系統結構布局、柔性傳感制備、人體意圖識別與學(xué)習控制優(yōu)化等方面出發(fā)，進(jìn)行理論分析與實(shí)驗研究，加快外肌肉機器人向實(shí)際生活中應用的進(jìn)程。
應用方面，2014年哈佛大學(xué)研制的外肌肉機器人Exosuit在專(zhuān)項領(lǐng)域測試取得良好效果，助力哈佛大學(xué)獲得Warrior Web項目的第二輪支持。2017年以色列ReWalk Robotics公司發(fā)布了第一個(gè)商用醫療外肌肉機器人ReStore，該系統重5kg，可有效輔助中風(fēng)偏癱患者行走，并在2019年取得了該機器人的美國FDA與歐盟CE認證，加速了外肌肉機器人在醫療康復領(lǐng)域的應用與發(fā)展。
外肌肉機器人登上Science（左）、Science Robotics（中）期刊封面與ReStore（右）（圖片均來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
外肌肉機器人的技術(shù)挑戰與科研進(jìn)展
與機械臂、無(wú)人機、移動(dòng)車(chē)等機器人不同，外肌肉機器人是緊密貼合在肢體表面，與人同體，實(shí)現協(xié)同運動(dòng)，因此具有更高的人機融合度，是人機共融技術(shù)的重要載體之一。但這種特殊的作業(yè)方式給科研人員的技術(shù)研究帶來(lái)了眾多挑戰。人與外肌肉機器人作為一個(gè)緊密的整體，需有主次之分，才能有序運行。外肌肉機器人需要主動(dòng)、正確地感知、理解、適應人體的運動(dòng)行為。例如，人當前是否需要助力等。
錯誤地感知當前運動(dòng)環(huán)境與理解人體行為意圖，會(huì )致使機器人在行為決策與規劃方面出現偏差，導致結果適得其反。簡(jiǎn)而言之，就是人會(huì )感到不舒服、被束縛、易疲勞。而提升機器人對人體運動(dòng)狀態(tài)的快速適應能力，是減少這種非期望現象發(fā)生的關(guān)鍵，也是當今外肌肉機器人研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。
中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的剛性外骨骼機器人（左）與外肌肉機器人（右）
中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室的科研人員以外肌肉機器人的高適應性為目標，在腦肌電信號處理、人體運動(dòng)意圖理解、機器人控制技術(shù)等方面進(jìn)行了系統性的研究工作。該團隊受啟發(fā)于人體下肢運動(dòng)的狀態(tài)驅動(dòng)與節律驅動(dòng)特點(diǎn)，研究了具備高適應性的人體運動(dòng)行為識別技術(shù)，使外肌肉機器人能快速適應不同受試者、不同步態(tài)類(lèi)型的人體運動(dòng)模式；研究了可快速適應人體步頻變化的外肌肉機器人控制技術(shù)，提升機器人對人體步頻、運動(dòng)環(huán)境與人機耦合動(dòng)力學(xué)特性等變化的快速適應能力，讓外肌肉機器人能知人所想、供人所需，應人所變。
該團隊的研究工作從人體運動(dòng)機理出發(fā)，將人體運動(dòng)更本質(zhì)的特性融入到外肌肉機器人的交互系統設計當中，為機器人策略設計與行為規劃的研究提供了新的思路。
該團隊的最新研究成果被IEEE Transactions on Human-Machine Systems、IEEE Transactions on Automation Science and Engineering 等國際期刊錄用。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的支持。
結語(yǔ)：
外骨骼機器人經(jīng)過(guò)近60年的發(fā)展，已經(jīng)彰顯出巨大的發(fā)展前景，但距離大規模民用化還是任重道遠。目前大部分研究集中在本體設計、低層控制與中層規劃方面，而對于頂層的智能性研究仍然較匱乏。隨著(zhù)近幾年人工智能技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，在外骨骼機器人的協(xié)助下，失能不再是老年人、殘疾人的代名詞，他們也可以自如地行走在超市、商場(chǎng)以及我們生活中的每個(gè)角落。
參考文獻：
1. Cornwall, Warren. "In pursuit of the perfect power suit," Science, vol. 350, no. 6258, pp. 270-273, Oct. 2015.
2. Pons, José L. "Witnessing a wearables transition," Science, vol. 365, no. 6454, pp. 636-637, Aug. 2019.
來(lái)源：中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所
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