机器人外骨骼的革命：从刚性到超柔性的进化

虽然刚性外骨骼出现的时间只有短短几年，但很快，仿佛几乎在所有的新闻节目中都可以看到它们的身影，展示它们帮助被困在轮椅上一辈子的人重新行走的能力。 在美国，总共有超过5000万人因中风，受伤或上年纪而行动不便。而在世界各地，据世界银行预计，全球72亿人口中，将有12%的人遭遇这些问题。这也就很容易理解为什么这些拥有提升行动不便者生活水平能力的刚性的可穿戴外骨骼能够如此深受好评。

突破的一年

2014年是外骨骼获得大突破的一年。在这个领域，群贤毕至，拥有众多有竞争力的品牌，包括Ekso Bionics ReWalk，Rex Bionics，和Parker-Hannifin。 其中Ekso Bionics，ReWalk和Cyberdyne都在今年公开上市：Cyberdyne (7779:JP)在东京证券交易所上市；Ekso Bionics (EKSO:US)上市募得了3000多万美元；而ReWalk (NASDAQ: RWLK)发行了300万股，每股12美元，而且股价很快暴涨近83%，至21.90美元，最高时曾达到22.60美元。。 WinterGreen Research预计康复机器人市场规模将从目前的4300万美元增长至2020年的18亿美元。对于这个仍然新鲜的开发中的产品是个不错的前景。 这个被誉为医学奇迹并吸引了投资者眼球的技术，刚性外骨骼开始大举影响康复医疗领域。

刚柔并济

不过，就在刚性外骨骼为投资者源源不断地带来利润的同时，很快一种新的外骨骼，柔性外骨骼，正在努力将其的治疗性能提升至和气刚性兄弟媲美的水平。不过这将是一个双赢的局面，还有什么比这更好的吗？ 由美国哈佛大学生物设计实验室韦斯研究所生物启发工程Conor Walsh教授带领开发的柔性外骨骼技术对于人类能力的增强将是一个伟大的飞跃。 柔性外骨骼不适合重型的任务，如提升截瘫患者，但其可以在家庭扩展物理治疗以及改善那些能下床活动，但速度慢，易疲劳和髋关节弯曲伸展受限制的中风患者的行走能力。柔性外骨骼对于美国每年800000的中风患者来说，是康复的一大福音。 随着材料和设计的升级，柔性外骨骼的能力将能够满足越来越多的干预措施的需求。而且已经开发出了相关的概念。 据开发者表示，这种由织物制成的柔性外骨骼可以穿在佩戴者的外衣里面。该面料具有通过提升生物肌肉潜力改善步态的特点。活动部件内部穿有线缆，并连接至安装在腰部的马达。控制器通过传感器监测穿戴者的运动，并根据指令在运动的特定时刻通过线缆提供动力。临场医生可以根据纪录的数据监控患者的治疗情况。 这是一个巧妙的工程设计，使用在许多机器人上面常见的传统材料，执行器和齿轮。 同样设计巧妙的还有来自SRI国际工程的Superflex内衣——穿戴式机器人，或称为柔性机器人。它最初是设计用来减轻需携带100磅背包的士兵的负担以避免潜在的劳损。 SRI明显知道从刚性到柔性的进步： “近年来对外骨骼的评价众说纷纭，这个机器人系统尽管可以帮助士兵减轻负担或能让截瘫患者直立行走，但笨重、僵硬。SRI的工作可以说是代表了下一代的概念，其目的是更接近于打造‘外肌肉（exomuscles）’和‘外肌腱（exotendons）’。” 这些柔性外骨骼以及更进一步的超柔性外骨骼将取代传统的材料。超柔性技术将引领人类增强和外骨骼技术的发展方向。 在未来，不管是先天还是后天而导致行动受限的人，在这个穿上后几乎和正常人无异的超薄机器人外套后，将可不再受轮椅的限制，获得行动的能力。这对于人类将是一个革命性的里程碑，而那些认识到这种技术潜力的投资者将可以赚得盆满钵满。 材料科学的突破 就像两个害羞的舞伴合作一样，慢慢地，机器人技术和材料科学联手，在美国普渡大学工程实验室制造出可称为“超柔性”的机器人外骨骼。这种“超柔性”技术的潜力很可能将远远超过它的刚性和柔性前辈。 材料科学的进步让这一切变得不同。 一直以来，我们都在寻找机器人与材料科学能够共同开发项目的交叉点。 在这之前，我们报道了一系列的开发对机器人应有有巨大潜力的令人惊讶的材料的实验室，但到目前为止，两者之间还没有产生任何实际的交集。 例如： 1.高分子肌肉 新加坡国立大学（NUS）工程科学计划和土木与环境工程系的Adrian Koh博士带领的团队开发出了能够携带负载的80倍自身重量的由高分子材料制成一种新型的机器人肌肉，并且在负载下的延伸至初始长度的5倍。这种技术对于机器人特别是协作机器人的应用有巨大的潜力。 2. 用于微型机器人超强的机械肌肉 能够像微型的手指那样弯曲的全新的功能强大的微型驱动器。 3.用鱼线制作的机器人驱动器 功能强大且廉价，将可彻底改变机器人。 4.用二氧化钒（VO?）制成的机器人肌肉 强度是人类肌肉的 1,000 倍，能投掷比自身重 50 倍的物体。 5.液态金属技术 一种高度工程化的块体非晶合金材料（BMG）。 “液态金属是一种强度超高，耐划伤，耐腐蚀，高韧性，可精密铸造成复杂的形状，”像机器人或外骨骼的外部皮肤。 我们向液态金属技术的发明者Liquidmetal的前副总裁，目前在华盛顿州立大学的Atakan Peker询问了液态金属的相关问题。 Peker如此回复： 非晶合金有三个有用的独特之处可供机器人利用： ·非常高的弹性以及非常高的强度（优于现有的金属） ·微成型表面 ·精密成型 不过目前的主要问题是似乎没有人能够主动将这些材料用于机器人的开发中。 向超柔性机器人的进化 在接下来就是印第安纳普渡大学的科学家Rebecca Kramer在实验室里创造出来的柔性机器人肌肉。 彭博社的Sam Grobart在他的“未来一年：2015”系列报道中写道：“一种新的机器人正在开发中，其将可以直接集成到我们的服装里，用以监测和协助我们的运动。她的研究可能有一天会导致可穿戴机器人的革命，从康复外套到军事能力增强，再到日常运动装备。” 事实上，她的发明和哈佛或者SRI的柔性外骨骼并不一样，或者我们可以将之称为超柔外骨骼。 要使这个超柔的外骨骼具备帮助截瘫患者直立行走、协助步行的能力，Kramer还有很多的工作要做。但她的研究无疑正走在正确的道路上。 未来的目标是使所有的功能元件都嵌入这一类柔性机器人的皮肤上。这种皮肤安装的柔性电子设备，和传统的硬件相比，抵抗振动的能力更强，足够坚固，可以执行太空任务 “未来可穿戴机器人将由顺应性材料制成，不会限制佩戴者的自然运动。 “这种高度舒适的织物将可以用于一些嵌入式的功能，能够高度融入我们的日常生活。在这项工作中，我们提出采用嵌入式驱动和传感的机器人面料。 “以不同的方式穿戴和身体同样柔软的机器人织物将要采用和许多其它机器人应用不同的运动和传感方式。 “可变刚度的材料有可能提供了一系列新功能，包括通过调整刚性连接和关节的位置来重新配置系统。特别是，可穿戴机器人的应用将受益于可变刚度材料，在必要的时候变硬，而在运动的时候变软。 “在这一项目中，我们提出了能够调整不同刚度的可穿戴织物。可变刚度织物由形状记忆材料制成，其中形状记忆合金（SMA）表面涂覆有形状记忆聚合物（SMP）薄膜。SMP向玻璃化转变时，这种织物会降低一个数量级的弯曲刚度。 “这种在橡胶态和玻璃态的转变是由嵌入SMA的加热器直接加热完成。此外，我们还利用COMSOL模型将当前输入与给织物刚度状态转换所需的时间联系起来。” 外骨骼革命的进程是从刚性到柔性再到超柔性。就目前而言，只有刚性外骨骼才能进行神奇的变换，将不能移动的人获得移动的能力。但随着时间的推移，创新将会把技术推向更接近Kramer实验室提出的概念。 未来将有数百万的的生活将会被这些可穿戴式机器人改变。IPO的募资纪录将继续被刷新，将有越来越多的投资者进入这个领域。伴随着整个行业的崛起，也将会造就数以千计的就业机会。

授权译自Robotics Business Review