TEDxZhuhai 演讲：外骨骼机器人——从达芬奇到钢铁侠

编者按：本文来自微信公众号“奇诺动力XenoDynamics”（ID:xeno-dynamics），36氪经授权发布。

两周前东人博士受到TEDxZhuhai公益演讲活动的邀请，向大家介绍外骨骼机器人，主要内容如下：

什么是外骨骼？

跳蚤、蚂蚁这些小生物拥有着非凡的跳跃、举重能力，很大程度上是因为它们拥有外骨骼这一共同特征。外骨骼就是一种能够对动物柔软内部器官起到构型、支撑和保护作用，并介导运动的坚硬的外部结构，一般把节肢动物体表坚硬的几丁质的外壳称为外骨骼。

外骨骼有什么作用呢？

假如人类拥有外骨骼，就能够在自然灾害救援中为救援人员提供更大的力量，能够轻松举起断壁残垣，拯救更多生命；

外骨骼能够增强老年人的运动能力，防止老人因为活动减少而导致身体机能下降，为老年人带来出行便利，提高生活质量；

外骨骼能够帮助截瘫患者重新站立行走；

在战场上，外骨骼能够帮助士兵减轻负重，外骨骼铠甲可以抵御枪弹的伤害；

在工业生产方面，外骨骼还能够在人进行大体力劳动时减轻身体负重，节省体力，减少疲劳性损伤，提高劳动效率……

什么样的外骨骼是优秀的外骨骼？

力拔山河，举重若轻，便捷舒适，机智如我。

外骨骼的研发过程中需要攻克哪些难关？

1.如何实现更好的人机互动？让外骨骼更好地理解用户的运动意图，并且做出正确的反馈。同时也要适应外部环境并做出合理反应。

2.如何承受并传导更大的重量？突破人类基因限制，延伸人类的力量极限，使输出的力量成倍放大。

3.如何保证力量的耐久性？需要我们在能量供应方面努力，发展储能技术和充电技术，优化电源管理。

4.如何实现穿戴外骨骼时舒适和轻便？既要让硬质的机器人表面和柔软的人类皮肤相贴附，让人在穿戴过程中感觉到舒适安全，还要外骨骼更好地响应和配合人体的运动。

以上几大难点具体牵涉到哪些技术呢？答案就在视频里哦。

附演讲全文：

大家下午好。

跳蚤，一种非常微小而不起眼的小动物，但是，它拥有非凡的跳跃能力，轻轻一跃就可以跳出身高200倍的高度。

如果我们人类拥有同样的跳跃能力，我们随随便便一跳便可以越过324米高的埃菲尔铁塔。

但是目前我们人类的跳跃极限是古巴跳高名将索托马约尔保持的2.45米。

蚂蚁，另一种非常微小而不起眼的小动物，但是，它拥有非凡的举重能力和拖拽能力，它可以举起自身体重60倍的物体，或者拖动自身体重1700倍的物体。

试想如果我们也有这样的力量，会是一个什么样的场景呢？我们至少可以举起一头4吨大象，或者拖动一条120吨重的蓝鲸。

在这些小动物面前，我们人类的运动能力和力量显得如此渺小，不值一提，太弱了，是吧？ 

所以我们会不断挑战和超越自我，努力赶上这些小动物。

可是我们发现，无论我们练得多么苦，把胳膊练得和我腿一样粗的情况下距离举起大象仍然很远。

因此，这些小动物非凡的地梁让我们羡慕不已。

那么大家有没有发现，这些拥有人类望尘莫及天赋的不起眼的小生命，都有一个共同特征：

那就是都具有一层坚硬的外壳，都身披盔甲，他们都是外骨骼动物。

通常来说，外骨骼是指，一种能够对动物柔软内部器官起到构型、支撑和保护作用，并能介导运动的坚硬的外部结构，一般是把节肢动物体表坚硬的几丁质的外壳称为外骨骼。

作为一名骨科医生，我可以很负责任地告诉大家，通俗的理解，包裹在肉外面的骨骼就是外骨骼。

天然的外骨骼具有支撑重量、介导运动、保护肉体、塑造外形的功能，更重要的，通过这身外骨骼系统，可以给生物体提供强大的力量。

有时候我也在想，我要是也能有这样一套外骨骼，那么我就能轻松举起大象、跳过埃菲尔铁塔，想想都觉得很酷，是吧？

其实，不止是我，五百多年前我们的先贤就已经有这样的想法了。

比如达芬奇，16世纪欧洲文艺复兴时期著名的天才科学家、发明家、艺术家。大多数人了解达芬奇是通过《蒙娜丽莎》和《最后的晚餐》。其实，除了绘画，达芬奇在机械工程领域同样有着卓越的成就。他设计了很多著名的机构，比如直升飞机、自动变速箱、坦克、潜水艇等。

我不清楚达芬奇有没有想过举大象，但是，达芬奇应该梦想过有一套外骨骼，为此他还设计了人类历史上第一个机器人雏形，可以通过齿轮、拉线以及传动杆传动。 

达芬奇曾经设计手稿复原的机器人，防御属性好像还不错。许多学者相信，这就是一套给人类设计的外骨骼机器原型，也就是——外骨骼机器人。

达芬奇之后的几百年来，我们一直在不断追求这样一身盔甲，穿上它，就如同有了动物的外骨骼，可以帮助人类实现自身力量的巨大外延。

我也有这样的梦想，很幸运，我遇到了一群也和达芬奇有同样梦想的小伙伴。 

正应了毛主席那句话：我们都是来自五湖四海，为了一个共同的目标走到一起。

我们共同进行外骨骼机器人核心技术的研发，我们梦想着自己有一天真的能够举起大象、拖动蓝鲸、跳过埃菲尔铁塔，甚至飞得更高、潜得更深、上天入地、无所不能。

那么，我们穿着外骨骼机器人，拥有这样非凡的力量，这么酷炫，有什么用呢？难道真的就为了举大象么？肯定不是，外骨骼机器人给了我们额外的力量源泉，在很多方面有着巨大的用途。

灾难救援，地震、塌方等自然灾害，受灾最严重的地方，大型机械救援设备往往进不去，这时我们的救援人员如果有外骨骼机器人，就可以轻松搬开重物，就可以大大提高废墟搜救的效率，就有能力和时间赛跑，可以从死神手里挽救更多人的生命。

随着年龄的增长，我们每个人都有衰老的那一天，都面临着行动能力的下降，无论是脑中风引起半身不遂还是关节退变、帕金森，都会导致老年人行动不便。人上了年纪一旦活动减少，身体机能会迅速下降，各种疾病将随之而来。如果有外骨骼机器人辅助行走，不但可以买菜遛弯儿，甚至可以远足旅游，可以大大提高老年人的生活质量。

截瘫患者，他们比谁都渴望能够重新行走，外骨骼机器人就可以帮助他们实现这一梦想。

战场上，外骨骼机器人可以极大减轻战士单兵负重，保存体力，同时外骨骼盔甲还可以保护士兵避免枪弹伤害。

任何需要搬运重物的体力工作，都可以通过穿上外骨骼机器人来助力，帮助人节省体力，保护身体免受疲劳损伤，同时还能提高工作效率。

还有等等等等很多领域，外骨骼机器人都可以发挥巨大作用。

那么，什么样的外骨骼机器人才算一款好产品呢？我们认为一个优秀的外骨骼机器人需要具备以下气质：力拔山河、举重若轻、舒适便捷、机智如我。

但是很可惜，目前还没有任何一款成熟的外骨骼产品能够达到这些要求，因为……

理想是丰满的，目标是远大的，但现实工作还需要我们脚踏实地，踏实前行。饭要一口一口吃，路要一步一步走。要使我们的外骨骼机器人具备以上素质，必须满足以下技术条件。

首先就是要解决如何更好地实现人机交互，让外骨骼机器人懂你，让外骨骼机器人更像我们自身的骨骼，能更好的领会使用者的意图，不能出现，你想走的时候他不走，你想停的时候他不停，你想快的时候它偏要慢，你想慢的时候他又想加速，你想上楼它不抬腿，如果这样就很尴尬了，机器人必须能很好的配合我们的运动。此外，外骨骼机器人还需感知外部环境的变化，不同地形、风霜雨雪、温度变化都会对其产生影响，它得能感知、能适应。因此我们需要模拟人的神经反射弧通路，采用多传感器融合技术，形成一个控制闭环，比如使用压力传感器，惯性传感器，肌肉电信号控制，脑电信号控制，运动大数据采集和分析建模以及通过新型控制理论和算法，结合人工智能的应用实现让外骨骼机器人能够理解甚至预测使用者的运动意图，更好的配合人完成各种动作。做到明明白白我的心。

人类自身力量的局限主要体现在两个方面，一是肌肉绝对力量不够强大，二是在肌肉在高强度用力的情况下维持不了多长时间，这个和基因带给我们的遗传属性相关，就是说我们生来注定就是这样，无法改变。外骨骼机器人延伸了我们的力量极限，通过高速电机配合大减速比减速器的方案，可以是实现输出力量成倍的放大，除了电机，我们还可以使用液压推杆或者气动肌肉。此外，外骨骼机器人自身的刚性结构决定它具有很好的应力遮挡效应，可天然承受并传导巨大重量，保证我们在举大象的时候不被压扁。

至于如何提高力量的耐久性，我们主要在能量供应方面努力，首先是储能技术的发展，比如纸电池、石墨烯电池、铝离子电池、钒电池等新型电池的使用，可以大大提升能量的供给量；其次是电源管理的优化，通过优秀的电源管理技术使得能量分配更合理、利用更高效、更充分；第三是充电技术的进步，如快速充电技术（充电两分钟使用五小时，听着就很爽），另外还在外骨骼运动的同时回收能量并进行充电，还可以考虑薄膜太阳能充电等多种方式。

解决了以上问题，穿上外骨骼机器人基本就可以举起大象了，但是，是不是这样就够了呢？还不够。因为我们要把外骨骼机器人看成人体自身的一部分，要和我们融为一体，这就要求穿上外骨骼，除了有劲儿，还得舒服。

作为穿在身上和人配合的机器人，有一对先天矛盾的属性，就是刚性和舒适性。硬质的外骨骼可以增强人的力量，却不容易与体表贴合。人体表面是柔软曲面，如何解决贴合性十分重要。我想，无论是跳蚤还是蚂蚁，螃蟹还是大虾，他们都不会觉着自己的外骨骼沉重，累赘，甚至把某些重要器官卡的疼痛。我们追求的也是这样的目标，这需要结构设计，人体工程学，生物力学交叉融合，甚至服装设计师的共同努力，同时还需要使用新型轻质材料结合3d打印技术使外骨骼与人体更加贴附。此外，快速响应和良好的人机协同也直接影响到穿着的舒适程度。响应和协同速度过慢，人在运动过程中会明显感觉到有额外的阻力，响应和协同速度过快，又会给人增加额外的推力，运动时难以与自身重心相配合。因此，对人体运动的采集分析和数学建模至关重要，首先要知道人是怎么运动的，再去从模仿人的运动到预测人的运动，增强外骨骼机器人穿着的舒适性。

解决了这些关键技术问题，我们离实现梦想就非常非常近了。

今天的主题是2026，展望未来十年，我很难预想，十年后外骨骼机器人会发展到一个什么样的程度？因为今天科学发展的速度实在太快，但是可以预见的是，这样的外骨骼机器人必将实现。

感谢漫威，为我们描绘了外骨骼机器人的一种极致状态，这是就我们为之奋斗的明天。

谢谢大家。