文｜觀察未來(lái)科技
在科幻電影中，身著奇異裝甲的人類往往能夠獲得極其強(qiáng)大的能力。比如《鋼鐵俠》中能將整個(gè)身體包裹起來(lái)的特殊外套一樣，這種特殊外套其實(shí)就是所謂的外骨骼，借助于外骨骼，通過機(jī)械設(shè)備與肌肉骨骼系統(tǒng)協(xié)同工作，人們就能獲得超越自身的力量。
如今，在現(xiàn)實(shí)中，也已經(jīng)有了一批身負(fù)外骨骼裝置的人，借助這種科幻式的技術(shù)，癱瘓的人群能夠重新站立，再次行走。當(dāng)然，除了在康復(fù)健康領(lǐng)域，外骨骼的應(yīng)用場(chǎng)景還有很多。其中最受關(guān)注的一個(gè)應(yīng)用，就是未來(lái)有一天我們或許也會(huì)用機(jī)械仿生體來(lái)維修和升級(jí)我們的身體。
在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們或許根本不需要穿戴假肢就能夠成為一個(gè)機(jī)械仿生人。一種新型的外骨骼裝置可以為每個(gè)人都帶來(lái)不可思議的綠巨人般的力量。不過，聽起來(lái)美好的背后，還需要面臨諸多挑戰(zhàn)。
最重要的應(yīng)用
嚴(yán)格意義上，外骨骼并不算一個(gè)太新的概念，其早期雛形甚至可以追溯到蒸汽機(jī)時(shí)代，當(dāng)時(shí)的人們就已經(jīng)開始想象如何利用蒸汽動(dòng)力輔助行走。1890年的美國(guó)專利中，已經(jīng)有人提出將機(jī)械結(jié)構(gòu)裝在人身上以增強(qiáng)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(zhàn)之后，或許是從出于軍事的需要，比如，當(dāng)時(shí)通用電氣就曾做過一個(gè)全身的增力外骨骼。盡管各種研究也一直都有，但受制于當(dāng)時(shí)的工業(yè)水平，外骨骼也一直處于一個(gè)研究中的狀態(tài)。真正的商業(yè)化外骨骼出現(xiàn)在 2000 年左右，不過，在 2016 年之前，全球的專利數(shù)不超過 100 項(xiàng)，但在 2016 年之后則開始指數(shù)級(jí)增加。
外骨骼最為重要的應(yīng)用，顯然就是與腦機(jī)接口配合，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域幫助癱瘓或肢體殘疾的人們重新站立。2013 年，一項(xiàng)由美國(guó)杜克大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis）主導(dǎo)的國(guó)際聯(lián)合項(xiàng)目，項(xiàng)目匯聚了來(lái)自世界各地的神經(jīng)科學(xué)家、機(jī)械工程師、神經(jīng)康復(fù)專家等各類專業(yè)人士，米格爾創(chuàng)立該項(xiàng)目的終極目標(biāo)就是想利用外骨骼和腦機(jī)接口的結(jié)合改變癱瘓者的生活質(zhì)量。
具體來(lái)看，研究團(tuán)隊(duì)先是在患者頭部連接有收集大腦電信號(hào)的裝置，這些信號(hào)會(huì)通過無(wú)線設(shè)備傳輸?shù)交颊邆冸S身攜帶的機(jī)器中。在這里，來(lái)自大腦的電信號(hào)（外骨骼裝置中為運(yùn)動(dòng)信號(hào)）會(huì)被機(jī)器轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)指令，接收到指令后，外骨骼裝置就能穩(wěn)定住患者的軀體，并根據(jù)信號(hào)來(lái)讓機(jī)械肢體前進(jìn)或者后退。從患者大腦發(fā)出信號(hào)，到控制外骨骼運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程大約只需要 300 毫秒就能完成。
當(dāng)然，想要通過意念控制機(jī)械設(shè)備來(lái)讓癱瘓患者完成動(dòng)作，還需要不斷進(jìn)行調(diào)整，哪怕是簡(jiǎn)單地握著水杯喝水，各種輸出和輸入信號(hào)都會(huì)在大腦的各個(gè)腦區(qū)之間傳送。這些信號(hào)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。這意味著，患者不能只是單純地輸出信號(hào)來(lái)控制機(jī)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，每一只機(jī)械下肢的頂端都配置了一塊可以感受溫度、壓力和距離的感受器，研究團(tuán)隊(duì)將其稱作人造皮膚。通過這塊感受器，患者就能夠感受到來(lái)自腳部的感覺，他們不僅能夠利用機(jī)械外骨骼做一些想做的動(dòng)作，還能夠知道自己走路的狀態(tài)。
如今，已經(jīng)有越來(lái)越多的外骨骼設(shè)備被用于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(dòng)他們癱瘓的四肢。盡管外骨骼技術(shù)目前仍然處于極早期的發(fā)展階段，但外骨骼的價(jià)格、重量、電池壽命以及外形等正在得到改進(jìn)。
總有一天，人們很可能會(huì)把這些外骨骼穿在他們的衣服下，并且在沒有人能夠察覺的情況下四處走動(dòng)。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(huì)穿上一條超級(jí)輕便柔軟的外骨骼褲子，然后就像什么也沒有發(fā)生一樣繼續(xù)一天的正常生活。
外骨骼能做什么？
當(dāng)然，在醫(yī)療康復(fù)的行業(yè)之外，外骨骼的應(yīng)用或許比我們想得更加廣泛，從戰(zhàn)場(chǎng)到工廠，穿戴式人造骨骼及肌肉都正為人們帶來(lái)幫助與保護(hù)。
比如，在戰(zhàn)場(chǎng)，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(shí)上，這樣的面積約為81%。添加更多的護(hù)甲將會(huì)過于沉重而不可行。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(fèi)力地背負(fù)起重得多的裝備。
對(duì)于此，最先進(jìn)的一款產(chǎn)品是由佛蒙特州的Revision Military公司制造的“動(dòng)力作業(yè)套裝”（Kinetic Operations Suit ，KOS）。該產(chǎn)品令士兵得到三倍的盔甲保護(hù)而不會(huì)對(duì)其行動(dòng)增添多少負(fù)擔(dān)。
其中，人造關(guān)節(jié)脊柱把裝備頭盔（完全覆蓋穿戴者的頭部）的大部分重量轉(zhuǎn)移到肩膀的護(hù)甲上。同樣，保護(hù)軀干的護(hù)甲也通過人造脊柱的另一部分把重量轉(zhuǎn)移到臀部和腿部。盡管這些減輕了對(duì)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(dòng)裝置綁到士兵的下肢上，配合盔甲使用。電動(dòng)馬達(dá)接收到加速度計(jì)等內(nèi)置傳感器的指示后，帶動(dòng)這些傳動(dòng)裝置與士兵的雙腿同步移動(dòng)。
據(jù)如今在Revision Military公司工作的美軍前特種部隊(duì)士兵布萊恩·道林（Brian Dowling）表示，該系統(tǒng)夠輕便也夠結(jié)實(shí)，可幫助穿戴者在全副武裝之下奔跑于崎嶇地形之上。包括美國(guó)在內(nèi)的多國(guó)軍方正在評(píng)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(duì)自行開發(fā)。該項(xiàng)目的承包商包括美國(guó)許多知名的防務(wù)公司，如通用動(dòng)力（General Dynamics）、洛克希德馬丁（Lockheed Martin）和雷神（Raytheon）。
這些公司將這一產(chǎn)品命名為“戰(zhàn)術(shù)突擊輕型作業(yè)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，卻可令整套裝備防御子彈和彈片。它還為穿戴者提供降溫系統(tǒng)、一組監(jiān)控其生理指標(biāo)的傳感器，以及超人般的力量。
當(dāng)然，外骨骼并不只是只有醫(yī)療和戰(zhàn)場(chǎng)的應(yīng)用。在工業(yè)領(lǐng)域，外骨骼也大有所用。美國(guó)機(jī)械仿生體公司（US Bionics）已經(jīng)開發(fā)出了一系列工業(yè)用外骨骼，以保證工人在處理大體積的重型負(fù)荷時(shí)不會(huì)扭傷背部、手臂以及腿部。其目的正式是減少與工作有關(guān)的傷害并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(guó)防務(wù)巨頭BAE系統(tǒng)公司（BAE Systems）開發(fā)的無(wú)動(dòng)力外骨骼已投入使用——用于工業(yè)生產(chǎn)而非軍事用途。
這款重17.5公斤的無(wú)動(dòng)力外骨骼，名為FORTIS。美國(guó)海軍及十多家制造企業(yè)正在試用該系統(tǒng)。 FORTIS的鉸接式鋁制框架撐起一個(gè)萬(wàn)向臂。工人身前的萬(wàn)向臂一端與其使用的工具相連接。工人身后的另一端附有相應(yīng)的配重。
無(wú)論工人是以站姿還是跪姿操作，工具及配重的總重量會(huì)通過外骨骼而非其自身骨骼被轉(zhuǎn)移到地面上。
另外，在德國(guó)弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer Institute）斯圖加特校區(qū)負(fù)責(zé)Robo-Mate研發(fā)項(xiàng)目的卡門·康斯坦丁內(nèi)斯庫(kù)觀察到，這些產(chǎn)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(yōu)勢(shì)，使得女性有機(jī)會(huì)從事如今覺得費(fèi)力的工作。它們也會(huì)幫到那些原本不得不放棄工作的年長(zhǎng)男性。
在外骨骼世界到來(lái)之前
在外骨骼技術(shù)的支持下，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，任何一個(gè)人都能夠成為一個(gè)機(jī)械仿生人。當(dāng)然，在實(shí)現(xiàn)穿戴式外骨骼這一目標(biāo)之前還要克服重重障礙。
首先，穿戴式外骨骼想要實(shí)現(xiàn)自如的控制，就需要研發(fā)出可以一次性安全可靠地植入人大腦里數(shù)年之久的新一代微型芯片。而事實(shí)上，與皮層相關(guān)的芯片植入方式如今卻還面臨著慢性神經(jīng)炎癥，局部腦組織損傷，以及局部腦組織損傷帶來(lái)的細(xì)胞反應(yīng)，比如小神經(jīng)膠質(zhì)反應(yīng)和星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)，還有電極穿透時(shí)引發(fā)的細(xì)胞外基質(zhì)變化的反應(yīng)。這些都是因電極植入引起的慢性腦組織反應(yīng)，他們不僅會(huì)影響信號(hào)長(zhǎng)期收集，還會(huì)引起人腦可能的惡性變異。
其次，需要研發(fā)出無(wú)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(jī)般大小的計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收大腦發(fā)出的無(wú)線信號(hào)。
再次，通過計(jì)算機(jī)解碼和編譯大腦所傳出的信號(hào)的新技術(shù)一定要跟得上。對(duì)于猴子而言，控制機(jī)械手臂需要數(shù)百個(gè)神經(jīng)元。而對(duì)于人類，至少需要數(shù)千個(gè)神經(jīng)元才能控制一只胳膊或一條腿。但如今，現(xiàn)有的電極陣列再怎么精密，考慮到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)情況，一次能夠同時(shí)記錄到的神經(jīng)元信號(hào)數(shù)目也基本都只有兩位數(shù)，相比于整個(gè)大腦，甚至僅僅一個(gè)腦區(qū)或者核團(tuán)之中天文數(shù)字的神經(jīng)元總數(shù)，這么一點(diǎn)樣本量究竟能說(shuō)明多少問題本身都是個(gè)問題。
最后，還要有足夠的便攜式能源供應(yīng)裝置，支撐整套外骨骼系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。到目前為止，國(guó)內(nèi)外的機(jī)械外骨骼的驅(qū)動(dòng)裝置大都是以蓄電池供電，但蓄電池的移動(dòng)范圍以及其負(fù)重重量也成為限制機(jī)械外骨骼自由度以及應(yīng)用范圍的重要因素。一方面，蓄電池電量和效率的限制，使得單次充電續(xù)航里程有限，其移動(dòng)范圍受到限制，無(wú)法滿足機(jī)械外骨骼的長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)需求。另一方面，蓄電池的功率有限。其動(dòng)力明顯不足，無(wú)法滿足外骨骼機(jī)器人高負(fù)重工作的需要。因此，給機(jī)械外骨骼裝配輕便持久高效的動(dòng)力系統(tǒng)依然是眼下急需解決的問題。
外骨骼技術(shù)的誕生，是為了將人體與機(jī)械進(jìn)行結(jié)合，這當(dāng)然許諾了人們美好的應(yīng)用前景：像《鋼鐵俠》中的Mark一樣，鋼鐵俠全身覆甲抵御攻擊，內(nèi)置制導(dǎo)、激光武器，推進(jìn)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及衛(wèi)星無(wú)線連接功能。同為科幻系列的流浪地球中登場(chǎng)外骨骼則更多的體現(xiàn)了工程搶險(xiǎn)救災(zāi)的一面，在危難場(chǎng)景協(xié)助使用者突出重重險(xiǎn)境，電影中軍用型外骨骼做到了可搭載重型裝備，形成個(gè)人機(jī)動(dòng)火力點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行壓制?！豆猸h(huán)》系列中士官長(zhǎng)所裝備的作戰(zhàn)服則更像是人類在遙遠(yuǎn)的遠(yuǎn)未來(lái)時(shí)代進(jìn)行外星殖民的必備裝備。而“使命召喚-高級(jí)戰(zhàn)爭(zhēng)”的背景環(huán)境就是近未來(lái)的2054年，所登場(chǎng)的單兵外骨骼更加符合實(shí)際的軍事需求。
但對(duì)技術(shù)熱情的期盼之下，這也涉及了一個(gè)更深刻的問題：在擺脫肉身束縛時(shí)，我們的身體和大腦又到底想要多大的控制范圍？未來(lái)外骨骼，又將帶領(lǐng)人類進(jìn)入怎樣的世界 ？