外肌肉機器人演化史
發布時間：2021-09-29 作者：www.xstr.xyz
據我國第七次全國人口普查公報，目前國內65歲及以上人口約有1.9億人，占總比13.5%，并預計2021年底，我國將由老齡化社會（≥7%）進入深度老齡化社會（≥14%）。老年人的身體機能衰退、肌肉功能退化等問題，導致他們逐漸脫離社會，隨之帶來的是生活質量與受尊重程度的雙重下降。隨著科學技術的發展與國家對智慧養老、智能醫療的大力支持，科研人員也在努力探索著如何應用科學技術來改善老年人的生活質量、助力老年人重返社會，而外骨骼機器人（Exoskeleton）則以此目標為導向，正經歷著飛速地發展。
我國老年人口數量（左）與外骨骼機器人助力人體行走示意圖（右）（左圖數據來自第七次全國人口普查與聯合國世界人口展望，右圖來自網絡）
外骨骼機器人的發展史：由工業到醫療
外骨骼機器人是一種可穿戴的智能輔助設備，用于增強人體運動機能，拓展人體與環境間的交互能力。外骨骼機器人根據能源利用方式，可分為兩類：無源/被動（Passive）外骨骼機器人與有源/主動（Powered）外骨骼機器人，無源系統不需要外部供能，反之，有源系統需要外部供能，來驅動機器人運動。由1890年俄羅斯提出無源外骨骼機器人的概念，1917年美國提出有源外骨骼機器人的概念，到1965年美國通用公司構建出第一臺有源外骨骼機器人樣機（Hardiman），外骨骼機器人設計的初衷是用于輔助工人搬運重物，提升生產力。2000年，美國啟動了增強人體體能外骨骼（EHPA）項目，計劃將外骨骼機器人用于專項領域。2010年，EHPA項目的部分成果被美國加州大學伯克利分校轉化，研制出Austin和eLegs醫療外骨骼機器人，促進了外骨骼機器人在醫療、康復領域的應用轉型與發展。
1890年俄羅斯外骨骼機器人專利（左1），Hardiman（左2），Austin（左3）與eLegs（左4）（圖片均來自網絡）
外骨骼機器人的進化史：由剛性外骨骼機器人到外肌肉機器人
事物發展的道路是曲折的，科學技術也不例外。第一臺樣機Hardiman在研發開啟四年后，因運動不可控、承載效率低等問題，以“失敗”而告終。EHPA項目的勝出者，加州大學伯克利分校的HULC和美國Sarcos公司的XOS外骨骼機器人，也暴露出實用性低、輔助效果差等問題，導致后續的研發工作幾近擱淺。
科研人員經過分析論證得出結論，使用上述外骨骼機器人來增強人體的運動機能很難實現，主要是因為它們龐大、笨重的剛性結構以及缺乏生物力學理論支撐的助力方式阻礙了人體的自然運動規律。于是，研發者試圖打破源自“鋼鐵俠”的固有設計理念，嘗試將外骨骼機器人設計的更輕質、柔性，助力方式更本質、更符合人體生物力學。在此思維風潮的推動下，2011年美國啟動了Warrior Web項目，旨在研發一種輕質、舒適、如同衣服一般的柔性外骨骼機器人，實現在不影響人體自身運動的前提下，提升人體運動機能；2018年，歐盟啟動了“XoSoft”項目，嘗試對柔性外骨骼機器人進行探索與研究。
相較于剛性外骨骼機器人，柔性外骨骼機器人常采用柔性纖維織物、低質量電機與柔彈性傳動的設計方式，具有更高的人機共融度與良好的人體適應性，還可智能性地為穿戴者提供助力與透明模式，實現“按需助力”，即僅在人體需要輔助的時候提供助力模式，反之提供透明模式，讓人體感知不到機器人的存在。柔性外骨骼機器人一般通過驅動人體骨關節旋轉來輔助人體運動，但骨關節旋轉是人體運動的最終表現形式，本質上是由接收到運動神經信號的肌肉，通過收縮/舒張來拉伸肌腱，再牽引骨骼完成的。而人體肢體運動障礙或運動能力變弱，本質上可能是由某一肌肉/肌肉群的功能性衰退造成的，若采用直接對目標肌肉進行輔助的驅動形式，則無疑是更高效，也是更符合人體生物力學的。為實現驅動形式的本質化，外肌肉機器人應需而生，它通過驅動“附著”在人體肌肉/肌腱外表面的人工肌肉線束，實現對目標肌群的精準輔助與肢體機能的有效增強。
外骨骼機器人發展階段圖（左，圖片來自參考文獻2）與哈佛大學外肌肉機器人概念圖（右，圖片來自網絡）
近年來，外肌肉機器人由于其結構設計與輔助方式上的優勢，開始被科學以及應用等領域所關注。外肌肉機器人的相關論文多次在國際頂尖期刊Nature，Science，Science Robotics上發表，科研人員分別從系統結構布局、柔性傳感制備、人體意圖識別與學習控制優化等方面出發，進行理論分析與實驗研究，加快外肌肉機器人向實際生活中應用的進程。
應用方面，2014年哈佛大學研制的外肌肉機器人Exosuit在專項領域測試取得良好效果，助力哈佛大學獲得Warrior Web項目的第二輪支持。2017年以色列ReWalk Robotics公司發布了第一個商用醫療外肌肉機器人ReStore，該系統重5kg，可有效輔助中風偏癱患者行走，并在2019年取得了該機器人的美國FDA與歐盟CE認證，加速了外肌肉機器人在醫療康復領域的應用與發展。
外肌肉機器人的技術挑戰與科研進展
與機械臂、無人機、移動車等機器人不同，外肌肉機器人是緊密貼合在肢體表面，與人同體，實現協同運動，因此具有更高的人機融合度，是人機共融技術的重要載體之一。但這種特殊的作業方式給科研人員的技術研究帶來了眾多挑戰。人與外肌肉機器人作為一個緊密的整體，需有主次之分，才能有序運行。外肌肉機器人需要主動、正確地感知、理解、適應人體的運動行為。例如，人當前是否需要助力等。
錯誤地感知當前運動環境與理解人體行為意圖，會致使機器人在行為決策與規劃方面出現偏差，導致結果適得其反。簡而言之，就是人會感到不舒服、被束縛、易疲勞。而提升機器人對人體運動狀態的快速適應能力，是減少這種非期望現象發生的關鍵，也是當今外肌肉機器人研究的熱點與難點。
中科院沈陽自動化所研制的剛性外骨骼機器人（左）與外肌肉機器人（右）
中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室的科研人員以外肌肉機器人的高適應性為目標，在腦肌電信號處理、人體運動意圖理解、機器人控制技術等方面進行了系統性的研究工作。該團隊受啟發于人體下肢運動的狀態驅動與節律驅動特點，研究了具備高適應性的人體運動行為識別技術，使外肌肉機器人能快速適應不同受試者、不同步態類型的人體運動模式；研究了可快速適應人體步頻變化的外肌肉機器人控制技術，提升機器人對人體步頻、運動環境與人機耦合動力學特性等變化的快速適應能力，讓外肌肉機器人能知人所想、供人所需，應人所變。
該團隊的研究工作從人體運動機理出發，將人體運動更本質的特性融入到外肌肉機器人的交互系統設計當中，為機器人策略設計與行為規劃的研究提供了新的思路。
該團隊的最新研究成果被IEEE Transactions on Human-Machine Systems、IEEE Transactions on Automation Science and Engineering等國際期刊錄用。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持。
結語：
外骨骼機器人經過近60年的發展，已經彰顯出巨大的發展前景，但距離大規模民用化還是任重道遠。目前大部分研究集中在本體設計、低層控制與中層規劃方面，而對于頂層的智能性研究仍然較匱乏。隨著近幾年人工智能技術的發展，相信在不久的將來，在外骨骼機器人的協助下，失能不再是老年人、殘疾人的代名詞，他們也可以自如地行走在超市、商場以及我們生活中的每個角落。
參考文獻：
1. Cornwall, Warren. "In pursuit of the perfect power suit," Science, vol. 350, no. 6258, pp. 270-273, Oct. 2015.
2. Pons, José L. "Witnessing a wearables transition," Science, vol. 365, no. 6454, pp. 636-637, Aug. 2019.