长期以来，机器人外骨骼的出现一直让人们希望，有朝一日，电动套装可以帮助残疾人恢复行动能力，或者赋予士兵和工人超人的力量。但是，尽管经过几十年的炒作，传说中的“外骨骼”仍然主要存在于钢铁侠和科幻小说中，大多数现实原型要么悄悄失败，要么努力寻找市场。但这个概念并没有消失。相反，卡内基梅隆大学和其他地方的研究人员正在从字面上从头开始重新思考设计过程。
卡内基梅隆大学团队正在探索一种新方法，通过降低穿戴者的能量消耗来提高耐力——这是该领域长期存在的挑战。他们没有尝试制造传统的全身或甚至是下半身增强套装，而是创造了一种软件控制的踝关节支架，其直接目标是减少行走所需的力气，从而减轻身体残疾人士的运动疲劳。研究人员在上个月发表在《科学》杂志上的一项研究中报告说，这种简单的设备——有针对性的、低调的，甚至是柔软的——最终可以避开以前的陷阱，提供实用且经济实惠的外骨骼。
控制任何外骨骼运动的算法必须经过调整，以提供穿戴者所需的确切时间和力量。在这种情况下，卡内基梅隆大学机械工程副教授兼该研究的首席研究员史蒂夫·柯林斯希望外骨骼能够自动计算出如何最大限度地减少穿戴者在行走时的能量消耗。
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为了测试不同的辅助策略，研究小组将每位研究参与者绑在一个细长的装置中，该装置向脚踝施加类似外骨骼的扭矩。参与者还连接到呼吸监测器，以测量他们的耗氧量——以及间接地测量他们的能量消耗。研究人员使用一种“进化算法”，该算法反复尝试几种扭矩和时间的组合，然后选择最佳组合进行进一步调整，与不佩戴支架行走相比，能量消耗减少了约14%。这比以前的任何系统都有了显著的改进。但对柯林斯来说，细节甚至是算法的性能都不是重点。他说，这“不是一篇关于外骨骼的论文”。“这是一篇关于设计外骨骼的方法的论文”，它在重要方面打破了先例。
实验中的一位参与者在跑步机上行走时佩戴着外骨骼模拟器，同时一个面罩测量他的耗氧量。图片来源：Kirby Witte、Katie Poggensee、Pieter Fiers、Patrick Franks 和 Steve Collins
一种更自然的方法
柯林斯的设计方法旨在解决困扰以前的外骨骼开发工作的难题。最著名的尝试是军事原型，它们与科幻小说中赋予穿戴者超人力量的愿景非常接近。2010年，机器人公司雷神萨科斯的“XOS 2”军事外骨骼和洛克希德·马丁公司次年推出的类似人类通用载荷搬运器 (HULC) 的发布都伴随着大量的宣传。但移动一个人需要大量的能量，而且很少有士兵愿意拖着巨大的电池组。全身套装还必须支撑自身的重量，这对重达68公斤的XOS 2来说并非易事。据萨科斯称，由于美国国防部缺乏资金，XOS 2最终被搁置。HULC 在未能通过军方测试后被暂停使用。*
医疗外骨骼是该技术的另一种经常被提及的用途，情况也好不到哪里去。目前市场上有几十个，但制造这些外骨骼的公司通常“靠补助金生活……希望向诊所零星地出售康复外骨骼”，市场研究公司 ABI Research 的机器人业务主管 丹·卡拉 说。华盛顿大学机械工程助理教授凯特·斯蒂尔说，就那些可以帮助患者在家里使用的套装而言，“我还没有看到将……有希望的技术转化为……人们可以在日常生活中使用的东西的有力例子。”即使技术准备就绪，成本仍然是一个障碍。军方可能愿意为每套服装支付数万美元，但这对私人公民和他们的保险公司来说，很难接受。
不过，据柯林斯说，关键的挑战比价格或力量更为根本：“我们不知道（外骨骼）应该如何帮助用户，”他解释说。毕竟，人体已经很擅长它们所做的事情了。过去的许多项目主要假设什么会有帮助，然后“花费数年时间来制造……假设检验机器”，西蒙弗雷泽大学生物医学生理学和运动机能学教授马克斯·多尼兰说。机器人公司 Dephy 的联合创始人卢克·穆尼说，结果通常是“你乘坐的机器人”，几乎不需要人类操作员。当人类试图参与运动时，两者会互相妨碍，除了最极端的残疾之外，所有增益都会被抵消。
多尼兰提倡人与机器之间更紧密的合作，“通过做人体无法做到的事情来改进身体已经做的事情”。这正是柯林斯的方法想要达到的目的。它从一个已知的痛点开始：生理分析表明，行走时的大部分能量消耗来自弯曲脚踝，因此弯曲脚踝是辅助的良好目标。因此，机器人支架的任务不仅仅是一些预定义的踝关节辅助形式，而是要找出最佳的帮助方式——包括何时不要妨碍。
以用户为先
类似的以用户为中心的思维方式正逐渐推动该领域跨越其他历史障碍，以实现广泛采用。例如，许多以前的项目在很大程度上忽视了可用性。卡拉说，他采访的测试人员抱怨简单的不便之处——机器“难以穿戴和脱下。它们会磨伤；会有摩擦。”此外，穆尼说，目前还没有任何可用的外骨骼可以在几分钟内开箱、穿上并流畅使用。这不仅需要用户快速学习如何使用该设备，还需要该设备适应用户。“每个人都是不同的，”柯林斯指出。“对你来说效果很好的辅助策略可能会使我走路更加困难。”
然而，随着针对非常特定用户需求的极简设计的出现，这些问题也开始逐渐消失。为了增强健康跑步者的能力，外骨骼可以使用小型臀部和踝关节电机以及像柯林斯这样的算法，这些算法可以适应用户的步态。为了帮助士兵举起重型弹药，外骨骼甚至不需要动力。一些很有希望的设计是完全被动的，使用弹簧将重量直接转移到地面或存储弯腰时的能量。这种外骨骼已经在逐步进入包括建筑和造船厂在内的各行各业。
截瘫患者可能需要一套全身下半身的套装，但也许是使用舒适的、类似布料的材料制成的套装，例如哈佛大学 康纳·沃尔什 工程与应用科学副教授实验室正在开发的“软外骨骼”。在周三发表在《科学转化医学》杂志上的一项研究中，沃尔什和哈佛大学和波士顿大学的同事表示，在轻便、低调的软机器人踝关节支架的帮助下，他们提高了中风患者的行动能力。
不过，并非所有人都放弃了好莱坞关于一套套装统治一切的想法。例如，美国特种作战司令部 (USSOCOM) 仍在开发一种名为战术突击轻型操作员套装 (TALOS) 的增强外骨骼，USSOCOM 发言人中校劳拉·博林格表示，该外骨骼正按计划在 2018 年推出原型。一些学者对此表示怀疑，但大多数人似乎愿意将“钢铁侠套装”视为一种长期的可能性。
但在不久的将来，好处可能来自更简单、更有针对性的设备——柯林斯认为这些好处指日可待。“在未来五年内，”他说，“经常使用或认识经常使用外骨骼的人将很常见。” 不完全是我们希望的外骨骼，但也许是我们需要的外骨骼。
*编者注 (07/27/17)：这句话在发布后进行了编辑。它最初声明 XOS 2 和 HULC 在未能通过军方测试后均被搁置。