從延伸器官到機械仿生，外骨骼將帶來什麼？_風聞

文/觀察未來科技

在科幻電影中，身着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，**藉助於外骨骼，****通過機械設備與肌肉骨骼系統協同工作，**人們就能獲得超越自身的力量。

如今，在現實中，也已經有了一批身負外骨骼裝置的人，藉助這種科幻式的技術，癱瘓的人羣能夠重新站立，再次行走。當然，除了在康復健康領域，外骨骼的應用場景還有很多。其中最受關注的一個應用，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，聽起來美好的背後，還需要面臨諸多挑戰。

最重要的應用

嚴格意義上，外骨骼並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，當時的人們就已經開始想象如何利用蒸汽動力輔助行走。1890年的美國專利中，已經有人提出將機械結構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之後，或許是從出于軍事的需要，比如，當時通用電氣就曾****做過一個全身的增力外骨骼。儘管各種研究也一直都有，但受制於當時的工業水平，外骨骼也一直處於一個研究中的狀態。真正的商業化外骨骼出現在 2000 年左右，不過，在 2016 年之前，全球的專利數不超過 100 項，但在 2016 年之後則開始指數級增加。

**外骨骼最為重要的應用，顯然就是與腦機接口配合，在醫療康復領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的神經科學家米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）主導的國際聯合項目，項目匯聚了來自世界各地的神經科學家、機械工程師、神經康復專家等各類專業人士，米格爾創立該項目的終極目標就是想利用外骨骼和腦機接口的結合改變癱瘓者的生活質量。

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備傳輸到患者們隨身攜帶的機器中。在這裏，來自大腦的電信號（外骨骼裝置中為運動信號）會被機器轉換成運動指令，接收到指令後，外骨骼裝置就能穩定住患者的軀體，並根據信號來讓機械肢體前進或者後退。從患者大腦發出信號，到控制外骨骼運動，整個過程大約只需要 300 毫秒就能完成。

當然，想要通過意念控制機械設備來讓癱瘓患者完成動作，還需要不斷進行調整，哪怕是簡單地握着水杯喝水，各種輸出和輸入信號都會在大腦的各個腦區之間傳送。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。這意味着，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，每一隻機械下肢的頂端都配置了一塊可以感受温度、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。

**如今，已經有越來越多的外骨骼設備被用於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。**儘管外骨骼技術目前仍然處於極早期的發展階段，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，並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，然後就像什麼也沒有發生一樣繼續一天的正常生活。

外骨骼能做什麼？

當然，在醫療康復的行業之外，外骨骼的應用或許比我們想得更加廣泛，從戰場到工廠，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於沉重而不可行。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揹負起重得多的裝備。

**對於此，最先進的一款****產品是由佛蒙特州的Revision Military公司製造的“動力作業套裝”（Kinetic Operations Suit ，KOS）。**該產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擔。

其中，人造關節脊柱把裝備頭盔（完全覆蓋穿戴者的頭部）的大部分重量轉移到肩膀的護甲上。同樣，保護軀幹的護甲也通過人造脊柱的另一部分把重量轉移到臀部和腿部。儘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置傳感器的指示後，帶動這些傳動裝置與士兵的雙腿同步移動。

據如今在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，該系統夠輕便也夠結實，可幫助穿戴者在全副武裝之下奔跑於崎嶇地形之上。包括美國在內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。該項目的承包商包括美國許多知名的防務公司，如通用動力（General Dynamics）、洛克希德馬丁（Lockheed Martin）和雷神（Raytheon）。

這些公司將這一產品命名為“戰術突擊輕型作業套裝”（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，卻可令整套裝備防禦子彈和彈片。它還為穿戴者提供降温系統、一組監控其生理指標的傳感器，以及超人般的力量。

當然，外骨骼並不只是只有醫療和戰場的應用。在工業領域，外骨骼也大有所用。美國機械仿生體公司（US Bionics）已經開發出了一系列工業用外骨骼，以保證工人在處理大體積的重型負荷時不會扭傷背部、手臂以及腿部。其目的正式是減少與工作有關的傷害並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巨頭BAE系統公司（BAE Systems）開發的無動力外骨骼已投入使用——用於工業生產而非軍事用途。

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正在試用該系統。 FORTIS的鉸接式鋁製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。工人身後的另一端附有相應的配重。

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）斯圖加特校區負責Robo-Mate研發項目的卡門·康斯坦丁內斯庫觀察到，這些產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。當然，在實現穿戴式外骨骼這一目標之前還要克服重重障礙。

首先，穿戴式外骨骼想要實現自如的控制，就需要研發出可以一次性安全可靠地植入人大腦裏數年之久的新一代微型芯片。而事實上，與皮層相關的芯片植入方式如今卻還面臨着慢性神經炎症，局部腦組織損傷，以及局部腦組織損傷帶來的細胞反應，比如小神經膠質反應和星形膠質細胞反應，還有電極穿透時引發的細胞外基質變化的反應。這些都是因電極植入引起的慢性腦組織反應，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責接收大腦發出的無線信號。

再次，通過計算機解碼和編譯大腦所傳出的信號的新技術一定要跟得上。對於猴子而言，控制機械手臂需要數百個神經元。而對於人類，至少需要數千個神經元才能控制一隻胳膊或一條腿。**但如今，****現有的電極陣列再怎麼精密，考慮到實際的實驗情況，一次能夠同時記錄到的神經元信號數目也基本都只有兩位數，**相比於整個大腦，甚至僅僅一個腦區或者核團之中天文數字的神經元總數，這麼一點樣本量究竟能説明多少問題本身都是個問題。

**最後，還要有足夠的便攜式能源供應裝置，支撐整套外骨骼系統的運轉。**到目前為止，國內外的機械外骨骼的驅動裝置大都是以蓄電池供電，但蓄電池的移動範圍以及其負重重量也成為限制機械外骨骼自由度以及應用範圍的重要因素。一方面，蓄電池電量和效率的限制，使得單次充電續航里程有限，其移動範圍受到限制，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依然是眼下急需解決的問題。

**外骨骼技術的誕生，是為了將人體與機械進行結合，****這當然許諾了人們美好的應用前景：**像《鋼鐵俠》中的Mark一樣，鋼鐵俠全身覆甲抵禦攻擊，內置制導、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及衞星無線連接功能。同為科幻系列的流浪地球中登場外骨骼則更多的體現了工程搶險救災的一面，在危難場景協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，對目標進行壓制。《光環》系列中士官長所裝備的作戰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-高級戰爭”的背景環境就是近未來的2054年，所登場的單兵外骨骼更加符合實際的軍事需求。

**但****對技術熱情的期盼之下，****這也涉及了一個更深刻的問題：**在擺脱肉身束縛時，我們的身體和大腦又到底想要多大的控制範圍？未來外骨骼，又將帶領人類進入怎樣的世界 ？