科学网—十年之后，你会穿上外骨骼吗？
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2026-8-21 09:39
| 系统分类: 海外观察
十年之后，你会穿上外骨骼吗？这项或将改变人类行动方式的技术
机器人助力装备最初专为临床场景设计，而如今科研人员正在研发更廉价、小巧的设备，面向全体人群 ——既包括膝关节老化的中老年人，也有想要攀登高山的二十多岁年轻人。
一名使用者穿戴 Hypershell X系列外骨骼，跨步从一块巨大岩石登上另一块巨石。
多款外骨骼产品正进入消费市场，其中就包括来自中国上海的海伯赛尔（ Hypershell）公司推出的产品。
丹尼尔 ·费里斯表示，最好的外骨骼，是会让你几乎忘记它的存在。这位生物力学家穿戴设备时，只会感受到轻微的牵拉感。但摘下设备之后，会产生一种仿佛突然要艰难爬坡的错觉。
几十年来，费里斯一直致力于可穿戴外骨骼与动力假肢的研发，他始终认为这类设备很快会走进日常生活。 2009年，他曾做出一项预测1：“到2024年，人们会穿着机器人外骨骼走在街道、商场，回到家中。”
费里斯坦言自己当时有些操之过急，但他设想的图景正在一步步变为现实。
在他做出该预测的那个年代，外骨骼大多用于临床，帮助脊髓损伤或脑卒中患者开展康复。澳大利亚布里斯班昆士兰大学神经肌肉生物力学家泰勒 ·迪克谈道：“那时外骨骼的定位很明确：人体功能已经丧失，我们需要把这部分功能补回来。”
现如今，科研人员与企业越来越多地谈及机能增强：为人体的动作提供一部分辅助力量。一款动力护具可以分担关节炎受损膝关节的负荷；机器人短裤能够减轻老年人日常步行的疲惫感。还有部分外骨骼面向广泛用户群体，包括希望走得更远、跑得更快的年轻人。去年 10月，耐克发布名为“放大计划（Project Amplify）”的动力鞋类原型系统，面向普通运动爱好者；在中国，游客游览长城的山地段时，已经可以租赁外骨骼设备。
在外骨骼的支持者看来，这类机能增强技术来得正是时候。据世界卫生组织统计，日本、中国、意大利等诸多国家正快速步入老龄化社会，预计到 2050年，全球60岁及以上人口将达到21亿。
但在大规模推向大众市场之前，科研人员仍需要攻克若干技术难题。设备必须变得更智能、更轻便、价格更低，并且可以适配形形色色的使用者。还有一个亟待解答的顾虑：如果机器让走路、跑步变得更加轻松，人们会因此增加活动量、身体变得更健康吗？抑或是身体会对设备产生依赖，进而造成肌肉萎缩？
从功能替代走向辅助助力
对于如今的外骨骼研发者，设备提供的助力讲究 “少即是多”。早期设备更偏向钢铁侠那种强力战甲的思路；新一代系统则会测算穿戴者自身输出的力量，仅补充动作所需的一部分动力。这种方案既保留穿戴者对身体的主导控制权，降低机器需要输出的功率，还可以避免设备关机之后给使用者带来沉重负担。
过去数年间，多个研究团队在研发适配更贴近真实人体运动的设备上取得进展。美国佐治亚理工学院的研究团队搭建一套控制框架，借助人工智能，针对不同步行速度、坡度、台阶高度，实时测算髋关节运动状态，这套系统可以有效降低受试者步行时的体力消耗 2。该团队部分成员联合其他合作者进一步优化，开发出一套灵活性更强的系统，支持使用者无规律地在不同运动模式之间切换3。
美国密歇根大学安娜堡分校机器人专家罗伯特 ·格雷格针对膝关节采用相似的研发思路，主持一项200万美元的项目，改造动力矫形护具，减少膝关节承受的作用力。一项4人预实验结果显示，受试者从椅子站起、爬楼梯等活动中佩戴该设备，疼痛感有所缓解。
新一代设备采用研究人员所说的任务无关型控制技术。旧有系统会回放预设好、和人体动作时序绑定的运动程序；而任务无关控制可以实时测算穿戴者关节的发力程度，按比例输出辅助动力。
传统外骨骼依靠高速小型电机与庞大齿轮组，但输出的力量会让关节产生僵硬感。新型驱动器采用大扭矩低速电机，搭配更低的齿轮传动比，减小摩擦，让使用者带动设备运动时更加自如。
格雷格介绍，他研发的设备可以输出人体生物关节发力的 25%‑30%，足以代偿衰老、骨关节炎以及重复性劳作带来的部分身体机能缺损。与此同时，可穿戴传感器捕捉肢体运动、足部受力分布，再通过机器学习算法推算需要提供的辅助力度。佐治亚理工学院生物力学家格雷戈里·索维奇把这个研发目标类比为搭建“大型人体运动模型”：用海量人体运动样本完成训练，从而适配不同使用者、不同运动任务。
索维奇评价，最终成品不会像钢铁侠战甲，而更像是一台 “可穿戴电动自行车”。
这个比喻听上去或许奇特，但也得到产业设计师的认同。耐克的 “放大计划”联合马萨诸塞州Boxborough市的机器人企业Dephy共同开发，依靠佩戴在小腿和足部的电机、传动皮带、充电电池辅助踝关节运动。该产品仍处于测试阶段，耐克表示未来计划面向想要更省力地走远、跑远的普通消费者发售。
> 配图说明：一位老年市民穿戴外骨骼短裤，和年轻女性一同在公园散步。
> 一名测试者体验WalkON机器人系统，与参与该设备研发的研究员恩里卡·特里科米并肩漫步。
除了性能更优异的驱动器，柔性材料也让外骨骼越来越接近普通衣物。德国海德堡大学研发出 WalkON系统，包含肩带、腰带以及大腿绑带，可以直接套在日常衣服外面。10名老年人穿戴这套设备在平地行走，代谢能耗降低10%；另一组测试中，年轻受试者上坡行走的能耗下降18%⁴。
WalkON整套外骨骼重量不到3千克，远早于早期笨重的初代产品。迪克回忆见过一款为脑卒中康复者设计的设备，重达23千克。她当时对工程师直言：“根本没有人能戴着这个东西活动。”
日本在机器人与辅助技术领域的实践印证了轻量化的重要意义。北九州九州工业技术研究所机器人专家柴田智宏，主要测试用于照护场景的机器人，大多开展于临床环境。他表示，成本依旧是最大阻碍，但易用性同样是巨大挑战。部分临床外骨骼穿戴调试就要花费约 20分钟，会占用康复就诊的宝贵时间。
和索维奇一样，柴田智宏也把下一代外骨骼比作电动自行车。他认为，理想的外骨骼应当让使用者感觉 “如同身体的一部分”，可以自主操控，无需专业人员协助，也不用频繁维护。同时设备的体积、重量会阻碍人们使用，就像部分老年人会因为社会偏见，不愿意使用手杖、助听器。
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