从外骨骼到软肌肉-可穿戴人类增强智能的现在与未来

从外骨骼到软肌肉-可穿戴人类增强智能的现在与未来

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就在几年前，外骨骼一词的含义是我们在电影中看到的某种人类演员为与外星人战斗所佩戴的东西。但是现在，外骨骼已经成为现实，可以帮助工人减轻压力并防止受伤。工业工人现在使用外骨骼和可穿戴机器人来举起重物而不会受伤。骨骼外伤患者和战士携带的超重行李也使用外骨骼。

通过进一步修改，外骨骼可用于医疗康复，工业，军事以及急救人员。

外骨骼的当下案例：

ErgoJack，旨在减少工作场所伤害的软机器人上肢矫形器

焊工在零件上弯腰要花费很长时间。这种受限的姿势不可避免地会产生背痛。多年从事此类工作但忽视了采用符合人体工程学的正确姿势的人，永久性损伤（例如过早的脊柱磨损）并不罕见。对于经常被迫举起重物的工人也是如此。柏林弗劳恩霍夫生产系统和设计技术研究所IPK以及可靠性和微集成化研究所IZM的研究人员开发了ErgoJack（一种智能软矫形器），以缓解背部劳损并鼓励工人以更符合人体工程学的方式进行剧烈运动。研究团队旨在通过这种模块化的可穿戴式软机器人系统降低停机风险。

科学家定期开发各种可穿戴设备，以减少工作场所的伤害。外骨骼可以提供帮助，但实际上它们会将负荷从身体的一部分转移到另一部分。另一方面，动力外骨骼具有有限的功能并且非常昂贵。

弗劳恩霍夫研究院生产系统和设计技术IPK和可靠性和微IZM柏林研究人员现在已经开发ErgoJack -智能软矫形器-缓解背部扭伤，并鼓励工人更加人性化的方式来进行剧烈的运动。

“我们的软机器人上身矫形器的独特卖点是实时运动分析。基于机器学习和AI的特别开发的算法使人机工程学得以分析。这使这种矫形器与市售的外骨骼不同。后者是可穿戴机器人，其固有功能原理可放大所有类型的运动，甚至是不符合人体工程学的运动，并且仅将穿戴者的负担从身体的超负荷部分转移到负担较小的区域，” Dipl说。 g Fraunhofer IPK的科学家Henning Schmidt。

实时运动分析将人机工程学与非人机工程学运动区分开来

“我们的软机器人上身矫形器的独特卖点是实时运动分析。基于机器学习和AI的特别开发的算法使人机工程学得以分析。这使这种矫形器与市售的外骨骼不同。后者是可穿戴机器人，其固有功能原理可放大所有类型的运动，甚至是不符合人体工程学的运动，并且仅将穿戴者的负担从身体的超负荷部分转移到负担较小的区域，” Dipl说。 g Fraunhofer IPK的科学家Henning Schmidt。相反，IPK矫形器使用运动分析来区分人体工学运动和非人体工学运动。当佩戴者采取姿势或进行有害于健康的动作时，其将从振动警报器接收实时反馈。惯性测量单位 内置于背心中的IMU（简称IMU）将预先学习的动作模式与工人的实际动作进行比较，并进行实时评估。这仅需要几百毫秒。微型运动传感器位于肩膀，背部和大腿上。

这些运动传感器并不是唯一的内置电路。该背心还具有坚固耐用的小型电子设备，包括嵌入式控制器，振动模块和可充电电池。Fraunhofer IZM的简介是开发小型化和舒适的电子组件。Fraunhofer IPK负责设计系统布局，人机界面，机械，电子和软件，包括机器学习/ AI实时算法。数据在背心上本地处理。“实时算法需要复杂的计算，并且必须非常健壮，但是非常小的数据集足以将系统训练成新工人的运动方式，” Schmidt说，他描述了另一个使该系统与众不同的功能。

客户最终将能够在纯粹由织物制成的感官背心和内置有动力辅助功能的背心之间进行选择。当前系统的另一个变体带有靠背和臀部支撑。它的矫正支架具有支撑身体所需的最小表面积。背心上的侧向髋关节锁定功能可用于打开和关闭从背部到腿部的关节扭矩传递。该机制使工人可以在站立和坐姿时交替执行任务。

ErgoJack适用于广泛的行业。正如汽车行业的成功试验所表明的那样，它使物流和生产人员受益，他们必须在搬运过程中将沉重的包装物从货盘上抬起或在几个小时内采取约束姿势。

IPK开发的新型矫形器使用运动分析来区分人体工学运动和非人体工学运动。当佩戴者采取姿势或进行不利于健康的动作时，振动警报器会警告佩戴者即将发生的危险。

内置在背心中的惯性测量单元（IMU）将预先学习的运动模式与工人的实际运动进行比较，并进行实时评估。这仅需要几百毫秒。微型运动传感器位于肩膀，背部和大腿上。

该背心还具有坚固耐用的小型电子设备，包括嵌入式控制器，振动模块和可充电电池。

“实时算法需要复杂的计算，并且必须非常健壮，但是非常小的数据集足以将系统训练成新工人的运动方式，” Schmidt说，他描述了另一个使该系统与众不同的功能。

可穿戴软机器人系统的原型。这款柔软的机器人背心还具有坚固的小型电子设备，包括嵌入式控制器，振动模块和可充电电池。Fraunhofer IPK负责设计系统布局，人机界面，机械，电子和软件，包括机器学习/ AI实时算法。

设计与人互动的外骨骼

图片：德国仿生

可穿戴机器人正在迅速发展。它们促进中风受害者和瘫痪者的直立行走和丧失功能的重新学习。外骨骼通过创造新的肌肉记忆来帮助人们在中风后重新学习运动。外骨骼可提供更高质量的康复，为临床设施的增长战略提供基础。

外骨骼是可穿戴设备，可增强，启用，辅助和/或增强身体活动。外骨骼成功的主要原因之一是外衣的普及-基于软壳纺织品的外骨骼更舒适，重量更轻。位于田纳西州纳什维尔的可穿戴技术公司HeroWear已开发出Apex防护服。Apex与范德比尔特大学康复工程与辅助技术中心共同开发，通过支持和协助主要参与重复提举和弯曲活动的下背部肌肉来补充人体。

Apex基于织物电子的不同？

Apex的重量仅为3磅，但每次提起物体时都可以减轻背部承受的50磅压力。没有电动机或电池。

这套西装在需要时可以提供力量，而在不需要时则可以避免阻碍。这是通过一个正在申请专利的开/关功能实现的，该功能由一个简单易用的开关激活，这在我们的市场上是独一无二的。

这是世界上第一个针对女性的外衣。当其他穿用外衣的人使用电池或其他电源时，Apex不会通电。无需在每个工作日充电。

Suit X生产用于工业和医疗用途的外骨骼：

他们的工业产品包括：

Back X –一种有效且负担得起的外骨骼，可减少与工作有关的背部受伤的风险

腿X –一种革命性的膝盖外骨骼，通过减少膝盖关节和四头肌的肌肉力量，使穿戴者可以反复或长时间蹲下。可以调整支撑量以适合用户的需求和体重。

ShoulderX –与加州大学伯克利分校合作开发的革命性工业手臂外骨骼，可通过减少肩部综合体上的重力感应力来增强穿戴者的身体，从而使穿戴者能够以更长的时间和更少的精力执行胸部到天花板的任务。

MAX – MAX系统旨在提供一种灵活的外骨骼解决方案，可适用于各种不同的工作场所任务。

Suit X的医疗外骨骼称为Phoenix。它是世界上最轻，最先进的外骨骼，旨在帮助行动不便的人挺立和活动。凤凰城已成功地使许多用户在诊所，家中或工作场所中站起来走路。

外骨骼改变建筑业和制造业

福特使用的背心称为EskoVest，由Ekso Bionics设计的外骨骼。

背心适合从5英尺2英寸高到6英尺4英寸高的工人，并且提供从每只手臂5磅到15磅的举升辅助。它没有动力，并且使用弹簧辅助装置为每条手臂提供5到15磅（2.2到6.8千克）的提升支撑。

福特工人说，它很舒适，因为它重量轻而不笨重，可以轻松移动手臂。

“在Ekso，我们的使命是通过可穿戴技术和机器人技术来增强人类的能力，这些技术和机器人可以帮助人们重新思考当前的身体限制并取得卓越成就，” Ekso Bionics总裁兼首席执行官Jack Peurach说。

LG CLOi SuitBot是与新兴公司SG Robotics合作设计的，该公司一直在研究可穿戴式机器人如何改善生活质量：

LG表示，该设备非常舒适，并具有自然旋转的关节，这使CLOi SuitBot可以更轻松自然地运动，从而在走路，站立或工作时提高下半身的身材。

人工智能技术使LG CLOi SuitBot通过识别和分析生物特征数据和环境数据，测量和分析运动以建议最佳运动和姿势以实现最大功率效率，从而学习和发展。

柯马的MATE外骨骼可在不使用电力的情况下增强工人的力量和绩效

MATE利用基于被动弹簧的机制，这意味着它完全是机械的，不需要电源即可工作。当穿戴者的肩部肌肉举起重物，伸到头顶上方或进行其他体力劳动时，它为穿戴者的肩部肌肉提供帮助。MATE还可以防止用户旋转肩关节超出安全的运动范围。

使用MATE的好处

减轻肌肉和心脏疲劳

改善姿势，从而减少职业病

自然舒适且高度透气

如下无阻力或错位的生理运动

改进的重复任务精度

提高工作质量和工作精益求精

H-CEX是该公司的第一台工业可穿戴机器人，重量为1.6千克，但经久耐用，可支撑高达150千克的体重。

现代汽车称，H-CEX可以减少80％的腰部和下半身肌肉的使用，从而减少了因长时间坐在同一坐姿而导致的疲劳。

即将推出的H-VEX外骨骼是为需要大量手臂提升工作的工人而设计的。工人的上半身将受到外骨骼的支撑，外骨骼也将保护脖子和肩膀的肌肉。

现代汽车在声明中说：“通过扩大测试应用范围，我们希望证明可穿戴机器人的技术有效性。”

可穿戴机器人正在迅速发展。它们促进中风受害者和瘫痪者的直立行走和丧失功能的重新学习。外骨骼通过创造新的肌肉记忆来帮助人们在中风后重新学习运动。外骨骼可提供更高质量的康复，为临床设施的增长战略提供基础。

诸如Ekso，Lockheed Martin，Sarcos / Raytheon，BAE Systems，Panasonic，Honda，Daewoo，Noonee，Revision Military和Cyberdyne之类的公司都在为军事和工业应用开发某种形式的外骨骼。

虽然机器人外骨骼技术领域仍处于起步阶段，但专家们认为，它将在未来改变医疗保健和生产设施。

滑雪运动增强外骨骼Roam Robotics

该设计没有使用与机器人技术相关的重金属，而是使用了重型织物执行器，该执行器的形状能够支撑滑雪运动并起到类似于智能减震器的作用。

专门为滑雪者设计的机器人外骨骼。该设备包括两个绑在使用者大腿上并连接到他们的滑雪靴或滑雪板靴的撑杆。

以上外骨骼仅是为了辅助人类自身能力的提升，

而更智能的外骨骼将进化为人机交互，探索人与机器人、人与环境融合的感知、操控能力。合越智能认为的人机交互型增强智能有以下四大形态(或者还有其他更震撼的形态？那就需要我们大开脑洞，从人类生产的解放生产力出发，发挥科幻和科学想象力了！)

终极融合型外骨骼：

融合：背包式机器人伴侣为穿戴者提供了更多用于协作项目的手臂

庆应义University大学项目Embodied Media的工程师旨在通过研究人类互动中的具体信息学来创建触觉，虚拟现实，远程体验和迷恋事物，他们创造了Fusion，这是一种带有两臂的可穿戴机器人背包，可以帮助穿戴者进行协作项目。

“融合是一种远程协作系统，允许两个参与者共享相同的观点和物理空间，以进行远程操作和协作。该系统被设计为背包，并以三种不同的模式进行操作：直接协作，强制的身体指导和诱使的身体运动，从而实现有效的沟通”。

Fusion背后的大脑是叙利亚设计师Yamen Saraiji。它是在日本庆应义Media大学传媒设计研究生院的Saraiji博士研究期间开发的。

戴着Oculus Rift VR头戴式耳机的第二个用户可以通过操作平台的手持式Touch控制器从远处操纵机械臂。机器人的头部凝视用户的肩膀，有两个摄像头，它们充当眼睛，以捕获流向操作员的实时视频。

或者这个方向：

由磁流变致动器驱动的辅助机器人腿，可协助人体运动

冗余的机器人肢体正在出现，以增强人体功能。与外骨骼不同，这些机器人为用户提供了额外的运动学结构，从而实现了新颖的人机交互。理论上的上限表明，跟随者步态在步态周期中的平均发射功率可以为84 W，比自主踝关节外骨骼高4倍。

2020年10月，在IEEE和日本机器人学会共同举办的2020国际智能机器人及系统大会（IROS）上，加拿大舍布鲁克大学的研究人员展示了他们的「第三条腿」，还被评为IEEE网站最受欢迎的5篇博文之一。

研究人员最终希望推广这类附加机械肢，根据人的需要，它们可发挥手臂、腿，甚至是尾巴的作用。和外骨骼不同，这种增强型四肢更简单，无需研究人体的生物结构，它以第三或更高的手臂或脚来支撑人类行为，而且看起来更科幻。

外骨骼软肌肉市场更多玩家

诸如Ekso，Lockheed Martin，Sarcos / Raytheon，BAE Systems，Panasonic，Honda，Daewoo，Noonee，Revision Military和Cyberdyne之类的公司都在为军事和工业应用开发某种形式的外骨骼。

虽然机器人外骨骼技术领域仍处于起步阶段，但专家们认为，它将在未来改变医疗保健和生产设施。

外骨骼的优势

允许复杂的动作

外骨骼的设计通常带有可与使用者的底层肌肉一起工作的柔性关节。这允许用户进行各种各样的运动。完善外骨骼后，这些服将有一天能够用于使美军士兵更快地奔跑，携带更重的武器并越过战场上的障碍物。如今，外骨骼正用于汽车制造厂，可提高工人的绩效并保护他们免受伤害。

有益于医疗保健

外骨骼可以用于医疗用途是有益的。外骨骼的开发人员创建可穿戴式机器人套装，让人们用下半身瘫痪再次直立行走。外骨骼制造商Ekso Bionics推出了下一代机器人外骨骼，称为EksoNR。主要用于中风恢复期设计，直观的外骨骼装置再现了腿的自然运动，并帮助患者重新学习如何走路，坐下，并尽一切他们曾经做的事情。

保护劳动者在危险的条件

HAL外骨骼或混合辅助肢体外骨骼正在使用由日本政府。在2011年福岛第一核电站灾难之后，日本政府已经对各种机器人技术进行了测试。除了提供足够的强度，外骨骼也减少了约50％的辐射暴露。它还有助于冷却身体，当在地方的温度像福岛变得难以忍受。

图片：ReWalk机器人

外骨骼的缺点

笨重

外骨骼往往是笨重的，有些可能会很重。虽然它可以帮助工人提高性能，也可以是不利的，因为它的重量。

速度

外骨骼提供一系列不同的速度和大多数由适度的速度稍微大于0.2米/秒是，这可能阻碍他们的一般用途，其特征在于。

抓握

由于缺乏适当的握力，许多脊髓损伤患者可能无法使用外骨骼。

压力伤害

大约70％-75他们在他们的皮肤结构有可能打破剪切最小量的急剧变化一生中有脊髓损伤的经验压力伤害的人％。动力服可能有带，以帮助站立和行走过程中保持静态和动态的姿势。具有降低的感觉和受损的外周循环中，这些条带都有可能引起过大的剪切到周围的软组织并且可能导致压力的伤害。

价格

外骨骼的最大的缺点是其价格。外骨骼可以花费大约$ 45,000，这就是为什么很多人买不起。

合越智享：

外骨骼，总之，是一种人类智能增强设备，未来的方向将是人机融合以及真正具有舒适度和可调刚度的柔性电子化集成。

人类增强外骨骼未来形态1(软电子手套)

通过多模态传感器融合来增强人体的感知和认知能力，更精准更高效地发挥身体的灵活性、能动性和创造力。

人类增强外骨骼未来形态2--(智能服装功能电子)

“可穿戴微电网”衬衫包括汗水驱动的生物燃料电池，运动驱动的摩擦发电机和超级电容器，加州大学圣地亚哥分校。人类获取能量的方式将从身体获取，自立自强的智能服装方式，增强人体势能和运动能量的利用。

人类增强外骨骼未来形态3--(alex lab氢动力人造肌肉)

通过生物电子材料创新，创造出复合人造肌肉与人造神经的生物电子动力增强设备，外骨骼变成人造肌肉动力，仿生和舒适度将是未来外骨骼重要形态。

日本丰田，远程遥控机器人，人类增强外骨骼未来形态4--可穿戴虚拟现实遥操作

人类相比宇宙和自然还是渺小的，仅掌握和增强自身能力难以应对那些身体无法适应的环境和工作时，人类通过自身可穿戴的电子装置(比如，柔性电子数据手套、触觉传感器等)，通过对机器人的远程操控，让机器人模仿人类灵活的肢体运动，就能突破时间、空间和自然环境的束缚，用人类的智慧掌控机器人的智能，实现类人智能和避险操作。

将来，士兵，消防员和营救人员可以穿着基于纺织品的智能软机器人外衣，以帮助他们穿越困难的地形并新鲜到达目的地甚至操控特种机器人替代人深入危险的环境，以便他们能够进一步执行各自的有效任务。它们还可以成为增强神经退行性疾病患者和老年人活动能力和生活质量的有力手段。

更远的未来有一天：人类融合

通过将人类体验与阿凡达的体验直接联系起来，人类与机器人系统就可以共生。人类体验机器人的世界，而机器人成为人类和人类智慧的延伸。

我们能做些什么？

南京合越智能，旨在追求人类增强智能，通过以生物机电一体化技术为基础，以增材制造技术和电子新材料技术为依托，为柔性传感器、可穿戴传感器及多感官融合传感器为开拓方向，为软机器人、协作共融机器人、可穿戴电子、智能服装电子、纺织品电子及印刷电子及新型人机交互等行业提供原型开发、感知与测量及物联网、医联网与智能制造三网融合的行业应用解决方案。