在巴西世界杯開幕式上，一名巴西癱瘓少年在腦控外骨骼的幫助下，為本屆世界杯開出了第一個球，從而吸引了無數(shù)人的目光。

　　事實上，幫助殘疾人士重新獲得行動能力，只是外骨骼機器人研究的一個方面，它還有更多誘人的應用前景。

　　靈感來自漫畫《鋼鐵俠》

　　外骨骼機器人實質(zhì)上是一種可穿戴機器人，它將人的智能與外部機械動力裝置的機械能量結(jié)合在一起，可以給人提供額外的動力或能力。由于其安裝位置和產(chǎn)生的作用和生物界中的骨骼很相似，故將其稱為人類外骨骼。

　　外骨骼機器人的靈感其實是來源于當年美國知名的漫畫《鋼鐵俠》。漫畫的主人公建造了一件金屬鎧甲，穿上它的人就成為一個所向披靡的“鐵人”。在漫畫里面，“鐵人”的速度超過了噴氣飛機，可以輕易舉起1000噸的重物。在好萊塢電影《鋼鐵俠》、《異形》、《黑客帝國》中，又進一步把這種科幻設想具體化、形象化。

　　現(xiàn)代機器人所具有的機械動力裝置，使得機器人可以輕易地完成很多艱苦的任務，比如舉起、搬運沉重的負載等等。另一方面，雖然現(xiàn)代機器人控制技術(shù)有了長足的發(fā)展，但還遠達不到人的智力水平，包括決策能力和對環(huán)境的感知能力等。因此，將人的智能與機器人所具有的強大的機械能量結(jié)合起來，綜合為一個系統(tǒng)，將會帶來前所未有的變化，這便是外骨骼機器人的設計思想。

　　美國軍方是最早推動者

　　上世紀60年代末期，美國和前南斯拉夫就開始研究人體外骨骼裝置。美國研究這一技術(shù)的最初目的是增強人的能力，往往是用于軍事目的。盡管經(jīng)過一段時間的沉寂，但到20世紀末期，外骨骼機器人又重新得到世界各國的關(guān)注，美國、日本、俄羅斯、以色列、韓國、荷蘭等國家都積極地投入到研究中。

　　王建梅撰寫的《機械外骨骼發(fā)展史》一文中寫到，2000年，五角大樓國防高級研究計劃署開始了為期7年、投資數(shù)千萬美元的機械外骨骼研究計劃，這個研究項目被命名為“EHPA”。

　　第一件真正意義上的機械衣XOS建造于2002年，不過當時它沒有任何的動力。開發(fā)小組建造它的目的，是證明外骨骼能像人體一樣自如行動。當一名工程師穿上機械衣以后，嘗試做了各種復雜的動作，比如踢球、跑步、爬進汽車駕駛室。通過這一系列實驗后，又在恰當?shù)牡胤讲捎昧艘恍╆P(guān)節(jié)。

　　2010年第二代外骨骼機械裝XOS2研發(fā)出來，雖然此設計重達90公斤，但軍人穿上它后，不但可輕易搬起百斤重物，還可重復擊穿七八厘米厚的木板，并且活動自如。這相當于綜合了兩三人的工作量，不但可減輕士兵的疲勞程度，還能讓戰(zhàn)斗執(zhí)行效率加倍。XOS2由一系列傳感器、傳動裝置以及控制器所構(gòu)成，并由高壓液壓驅(qū)動。目前XOS系統(tǒng)有一個重大缺陷，就是利用自帶的電池只能使用40分鐘。

　　未來的作戰(zhàn)外骨骼系統(tǒng)可以集成大量的作戰(zhàn)武器系統(tǒng)和現(xiàn)代化的通訊系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)以及生命維持系統(tǒng)，從而把士兵從一個普通的戰(zhàn)士武裝成一個“超人”。外骨骼裝備可以使士兵輕松承受重量高達噸級的武器裝備，外骨骼本身的動力裝置和運動系統(tǒng)能夠使士兵不感疲倦地做長距離、長時間的高速運動，同時外骨骼堅實的防御能力也使得士兵能夠“刀槍不入”。在不久的將來，飛行能力也可能被集成到外骨骼裝備中，從而使士兵的作戰(zhàn)范圍和能力超越傳統(tǒng)的概念。

　　事實上，在民用領(lǐng)域，外骨骼機器人也可以廣泛應用于登山、旅游、消防、救災等需要背負沉重的物資、裝備而車輛又無法使用的情況。

　　為肢體殘障人士帶來福音

　　2004年，日本機器人專家山海嘉之創(chuàng)建了一個叫Cyberdyne的公司，推銷他的全身機械外骨骼HAL-5。它沒有采用XOS式的壓力感應器，而是把感應器附著到穿著者身上，從而接收人體肌肉發(fā)出的信號內(nèi)容，以確定人們下一步的行動意圖。這套機械外衣的控制系統(tǒng)能夠?qū)W習、模仿穿著者的自然姿態(tài)。這意味著至少需要30分鐘時間，兩者才能做到基本上協(xié)調(diào)一致，而不能指望一穿上就行動自如。但是HAL-5的主要用途是充當康復治療輔助工具和護士的助手，所以半個小時的培訓時間不構(gòu)成問題。

　　2010年，新西蘭一家公司發(fā)明了全球首對仿生機械腿“REX”，安裝在下身癱瘓者的腿上，能支撐身體，幫助他們重新站起來。借助它使用者可以輕松地站立、行走，甚至上下樓梯和斜坡。這種裝置重量為38公斤，由一個輕便充電池提供動力，充電一次可全天使用。

　　2011年7月，日本筑波大學公布一款名為“混合輔助機械套裝”的機械外骨骼。該套裝通過墊片與身體的特殊部位相連接，能夠探測到微弱的生物電信號，墊片與肢體運動相一致。當使用者穿著該套裝試圖移動時，從大腦釋放的神經(jīng)信號將通過運動神經(jīng)元傳輸至肌肉組織，最終將產(chǎn)生肌骨系統(tǒng)的移動。已有兩個孩子的殘疾人SeijiUchid，正是使用這種最新研制的神經(jīng)控制外骨骼結(jié)構(gòu)，使自己的力量增強了十倍，成功地登上了法國圣米歇爾山。

　　腦控—更大挑戰(zhàn)更美未來

　　巴西癱瘓少年為世界杯開出的第一個球，之所以引起人們更大的興趣，是因為這套裝置是通過患者大腦意識活動進行控制的。這款被命名為“Bra-SantosDumont”的“外骨骼”，是非營利國際合作項目“再次行走計劃”的一個研究成果，是由美國杜克大學的巴西神經(jīng)科學家米古爾·尼科萊利斯與德國慕尼黑理工大學的戈登·陳聯(lián)合開發(fā)的。尼科萊利斯此前在接受法國媒體采訪時表示：外骨骼由大腦活動控制，并將信息反饋給佩戴者還是第一次。”

　　據(jù)報道，這套裝置通過患者大腦意識活動進行控制，大腦活動可由放置在患者頭皮或大腦的電極探測到。信號經(jīng)無線傳輸?shù)交颊弑嘲鼉?nèi)一臺筆記本大小的計算機裝置中，會被轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的行動指令，再轉(zhuǎn)換成機械動作。傳感器結(jié)合機械外骨骼結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒂|覺、溫度和力量信息反饋至使用者，相關(guān)的信息可反饋在視頻顯示器或者振動電機上。

　　米古爾·尼科萊利斯早在2000年初就發(fā)明了腦機接口，他曾利用猴子做了大量實驗，讓它們學習只用腦活動來控制兩條虛擬手臂的運動。在這個過程中，尼科萊利斯和同事研究了大范圍的腦皮層記錄，努力為腦機接口提供足夠的信號，以精確控制雙手運動。

　　顯然，這是一項十分困難的工作。當我們通過電視機看到巴西癱瘓少年為世界杯開球的畫面時，就能體會到：這既是一項了不起的突破，同時也只是萬里長征邁出的第一步。

　　延伸閱讀：應用仍有多重困難

　　據(jù)廈門大學物理與機電工程學院林軍介紹，雖然人類外骨骼在最近十幾年取得了很大的進展，然而現(xiàn)實中還有許多問題需要解決。

　　目前人類外骨骼主要通過采集肌電信號和力反饋的方法來獲取穿戴者的運動意圖，肌電信號采集的方法有很嚴格的外界環(huán)境限制，一旦信號采集的地方發(fā)生微小的變化（如流汗等）就會干擾信號的采集；而力反饋法具有本質(zhì)上的滯后性，當穿戴者做出快速的運動或者高難度的動作時就會有阻礙感。

　　人類外骨骼主要通過捆綁的方式與穿戴者連接在一起，而這種方式具有很大的缺陷，如人體捆綁部位會因帶子的束縛產(chǎn)生血液流通不暢等問題；捆綁處因肌肉的收縮、伸展產(chǎn)生的形狀變形會很大程度上影響人類外骨骼的定位精度。

　　而且，人類外骨骼使用的便攜式能源只能給系統(tǒng)提供2至9小時的續(xù)航時間，所以開發(fā)新的便攜能源將成為需要解決的研究難題。

　　此外，由于人類的生理機構(gòu)具有承受極限，每個關(guān)節(jié)有運動范圍的限制，因此在人類外骨骼設計中，要防止對穿戴者造成傷害。