從外骨骼到軟肌肉-可穿戴人類增強智能的現在與未來

從外骨骼到軟肌肉-可穿戴人類增強智能的現在與未來

關鍵詞：外骨骼，可穿戴電子，智能服裝，電子紡織品，人造肌肉，柔性電子，生物電子，

     傳感器，機器人遙操作，智能數據和手套，人機交互

就在幾年前，外骨骼一詞的含義是我們在電影中看到的某種人類演員為與外星人戰斗所佩戴的東西。但是現在，外骨骼已經成為現實，可以幫助工人減輕壓力并防止受傷。工業工人現在使用外骨骼和可穿戴機器人來舉起重物而不會受傷。骨骼外傷患者和戰士攜帶的超重行李也使用外骨骼。

通過進一步修改，外骨骼可用于醫療康復，工業，軍事以及急救人員。

外骨骼的當下案例：

ErgoJack，旨在減少工作場所傷害的軟機器人上肢矯形器

焊工在零件上彎腰要花費很長時間。這種受限的姿勢不可避免地會產生背痛。多年從事此類工作但忽視了采用符合人體工程學的正確姿勢的人，永久性損傷（例如過早的脊柱磨損）并不罕見。對于經常被迫舉起重物的工人也是如此。柏林弗勞恩霍夫生產系統和設計技術研究所IPK以及可靠性和微集成化研究所IZM的研究人員開發了ErgoJack（一種智能軟矯形器），以緩解背部勞損并鼓勵工人以更符合人體工程學的方式進行劇烈運動。研究團隊旨在通過這種模塊化的可穿戴式軟機器人系統降低停機風險。

科學家定期開發各種可穿戴設備，以減少工作場所的傷害。外骨骼可以提供幫助，但實際上它們會將負荷從身體的一部分轉移到另一部分。另一方面，動力外骨骼具有有限的功能并且非常昂貴。

弗勞恩霍夫研究院生產系統和設計技術IPK和可靠性和微IZM柏林研究人員現在已經開發ErgoJack -智能軟矯形器-緩解背部扭傷，并鼓勵工人更加人性化的方式來進行劇烈的運動。

“我們的軟機器人上身矯形器的獨特賣點是實時運動分析?；跈C器學習和AI的特別開發的算法使人機工程學得以分析。這使這種矯形器與市售的外骨骼不同。后者是可穿戴機器人，其固有功能原理可放大所有類型的運動，甚至是不符合人體工程學的運動，并且僅將穿戴者的負擔從身體的超負荷部分轉移到負擔較小的區域，” Dipl說。 g Fraunhofer IPK的科學家Henning Schmidt。

實時運動分析將人機工程學與非人機工程學運動區分開來

“我們的軟機器人上身矯形器的獨特賣點是實時運動分析?；跈C器學習和AI的特別開發的算法使人機工程學得以分析。這使這種矯形器與市售的外骨骼不同。后者是可穿戴機器人，其固有功能原理可放大所有類型的運動，甚至是不符合人體工程學的運動，并且僅將穿戴者的負擔從身體的超負荷部分轉移到負擔較小的區域，” Dipl說。 g Fraunhofer IPK的科學家Henning Schmidt。相反，IPK矯形器使用運動分析來區分人體工學運動和非人體工學運動。當佩戴者采取姿勢或進行有害于健康的動作時，其將從振動警報器接收實時反饋。慣性測量單位 內置于背心中的IMU（簡稱IMU）將預先學習的動作模式與工人的實際動作進行比較，并進行實時評估。這僅需要幾百毫秒。微型運動傳感器位于肩膀，背部和大腿上。

這些運動傳感器并不是唯一的內置電路。該背心還具有堅固耐用的小型電子設備，包括嵌入式控制器，振動模塊和可充電電池。Fraunhofer IZM的簡介是開發小型化和舒適的電子組件。Fraunhofer IPK負責設計系統布局，人機界面，機械，電子和軟件，包括機器學習/ AI實時算法。數據在背心上本地處理?！皩崟r算法需要復雜的計算，并且必須非常健壯，但是非常小的數據集足以將系統訓練成新工人的運動方式，” Schmidt說，他描述了另一個使該系統與眾不同的功能。

客戶最終將能夠在純粹由織物制成的感官背心和內置有動力輔助功能的背心之間進行選擇。當前系統的另一個變體帶有靠背和臀部支撐。它的矯正支架具有支撐身體所需的最小表面積。背心上的側向髖關節鎖定功能可用于打開和關閉從背部到腿部的關節扭矩傳遞。該機制使工人可以在站立和坐姿時交替執行任務。

ErgoJack適用于廣泛的行業。正如汽車行業的成功試驗所表明的那樣，它使物流和生產人員受益，他們必須在搬運過程中將沉重的包裝物從貨盤上抬起或在幾個小時內采取約束姿勢。

IPK開發的新型矯形器使用運動分析來區分人體工學運動和非人體工學運動。當佩戴者采取姿勢或進行不利于健康的動作時，振動警報器會警告佩戴者即將發生的危險。

內置在背心中的慣性測量單元（IMU）將預先學習的運動模式與工人的實際運動進行比較，并進行實時評估。這僅需要幾百毫秒。微型運動傳感器位于肩膀，背部和大腿上。

該背心還具有堅固耐用的小型電子設備，包括嵌入式控制器，振動模塊和可充電電池。

“實時算法需要復雜的計算，并且必須非常健壯，但是非常小的數據集足以將系統訓練成新工人的運動方式，” Schmidt說，他描述了另一個使該系統與眾不同的功能。

可穿戴軟機器人系統的原型。這款柔軟的機器人背心還具有堅固的小型電子設備，包括嵌入式控制器，振動模塊和可充電電池。Fraunhofer IPK負責設計系統布局，人機界面，機械，電子和軟件，包括機器學習/ AI實時算法。

設計與人互動的外骨骼

圖片：德國仿生

可穿戴機器人正在迅速發展。它們促進中風受害者和癱瘓者的直立行走和喪失功能的重新學習。外骨骼通過創造新的肌肉記憶來幫助人們在中風后重新學習運動。外骨骼可提供更高質量的康復，為臨床設施的增長戰略提供基礎。

外骨骼是可穿戴設備，可增強，啟用，輔助和/或增強身體活動。外骨骼成功的主要原因之一是外衣的普及-基于軟殼紡織品的外骨骼更舒適，重量更輕。位于田納西州納什維爾的可穿戴技術公司HeroWear已開發出Apex防護服。Apex與范德比爾特大學康復工程與輔助技術中心共同開發，通過支持和協助主要參與重復提舉和彎曲活動的下背部肌肉來補充人體。

Apex基于織物電子的不同？

Apex的重量僅為3磅，但每次提起物體時都可以減輕背部承受的50磅壓力。沒有電動機或電池。

這套西裝在需要時可以提供力量，而在不需要時則可以避免阻礙。這是通過一個正在申請專利的開/關功能實現的，該功能由一個簡單易用的開關激活，這在我們的市場上是獨一無二的。

這是世界上第一個針對女性的外衣。當其他穿用外衣的人使用電池或其他電源時，Apex不會通電。無需在每個工作日充電。

Suit X生產用于工業和醫療用途的外骨骼：

他們的工業產品包括：

Back X –一種有效且負擔得起的外骨骼，可減少與工作有關的背部受傷的風險

腿X –一種革命性的膝蓋外骨骼，通過減少膝蓋關節和四頭肌的肌肉力量，使穿戴者可以反復或長時間蹲下。可以調整支撐量以適合用戶的需求和體重。

ShoulderX –與加州大學伯克利分校合作開發的革命性工業手臂外骨骼，可通過減少肩部綜合體上的重力感應力來增強穿戴者的身體，從而使穿戴者能夠以更長的時間和更少的精力執行胸部到天花板的任務。

MAX – MAX系統旨在提供一種靈活的外骨骼解決方案，可適用于各種不同的工作場所任務。

Suit X的醫療外骨骼稱為Phoenix。它是世界上最輕，最先進的外骨骼，旨在幫助行動不便的人挺立和活動。鳳凰城已成功地使許多用戶在診所，家中或工作場所中站起來走路。

外骨骼改變建筑業和制造業

福特使用的背心稱為EskoVest，由Ekso Bionics設計的外骨骼。

背心適合從5英尺2英寸高到6英尺4英寸高的工人，并且提供從每只手臂5磅到15磅的舉升輔助。它沒有動力，并且使用彈簧輔助裝置為每條手臂提供5到15磅（2.2到6.8千克）的提升支撐。

福特工人說，它很舒適，因為它重量輕而不笨重，可以輕松移動手臂。

“在Ekso，我們的使命是通過可穿戴技術和機器人技術來增強人類的能力，這些技術和機器人可以幫助人們重新思考當前的身體限制并取得卓越成就，” Ekso Bionics總裁兼首席執行官Jack Peurach說。

LG CLOi SuitBot是與新興公司SG Robotics合作設計的，該公司一直在研究可穿戴式機器人如何改善生活質量：

LG表示，該設備非常舒適，并具有自然旋轉的關節，這使CLOi SuitBot可以更輕松自然地運動，從而在走路，站立或工作時提高下半身的身材。

人工智能技術使LG CLOi SuitBot通過識別和分析生物特征數據和環境數據，測量和分析運動以建議最佳運動和姿勢以實現最大功率效率，從而學習和發展。

柯馬的MATE外骨骼可在不使用電力的情況下增強工人的力量和績效

MATE利用基于被動彈簧的機制，這意味著它完全是機械的，不需要電源即可工作。當穿戴者的肩部肌肉舉起重物，伸到頭頂上方或進行其他體力勞動時，它為穿戴者的肩部肌肉提供幫助。MATE還可以防止用戶旋轉肩關節超出安全的運動范圍。

使用MATE的好處

減輕肌肉和心臟疲勞

改善姿勢，從而減少職業病

自然舒適且高度透氣

如下無阻力或錯位的生理運動

改進的重復任務精度

提高工作質量和工作精益求精

H-CEX是該公司的第一臺工業可穿戴機器人，重量為1.6千克，但經久耐用，可支撐高達150千克的體重。

現代汽車稱，H-CEX可以減少80％的腰部和下半身肌肉的使用，從而減少了因長時間坐在同一坐姿而導致的疲勞。

即將推出的H-VEX外骨骼是為需要大量手臂提升工作的工人而設計的。工人的上半身將受到外骨骼的支撐，外骨骼也將保護脖子和肩膀的肌肉。

現代汽車在聲明中說：“通過擴大測試應用范圍，我們希望證明可穿戴機器人的技術有效性?！?/span>

可穿戴機器人正在迅速發展。它們促進中風受害者和癱瘓者的直立行走和喪失功能的重新學習。外骨骼通過創造新的肌肉記憶來幫助人們在中風后重新學習運動。外骨骼可提供更高質量的康復，為臨床設施的增長戰略提供基礎。

諸如Ekso，Lockheed Martin，Sarcos / Raytheon，BAE Systems，Panasonic，Honda，Daewoo，Noonee，Revision Military和Cyberdyne之類的公司都在為軍事和工業應用開發某種形式的外骨骼。

雖然機器人外骨骼技術領域仍處于起步階段，但專家們認為，它將在未來改變醫療保健和生產設施。

滑雪運動增強外骨骼Roam Robotics

該設計沒有使用與機器人技術相關的重金屬，而是使用了重型織物執行器，該執行器的形狀能夠支撐滑雪運動并起到類似于智能減震器的作用。

專門為滑雪者設計的機器人外骨骼。該設備包括兩個綁在使用者大腿上并連接到他們的滑雪靴或滑雪板靴的撐桿。

以上外骨骼僅是為了輔助人類自身能力的提升，

而更智能的外骨骼將進化為人機交互，探索人與機器人、人與環境融合的感知、操控能力。合越智能認為的人機交互型增強智能有以下四大形態(或者還有其他更震撼的形態？那就需要我們大開腦洞，從人類生產的解放生產力出發，發揮科幻和科學想象力了！)

終極融合型外骨骼：

融合：背包式機器人伴侶為穿戴者提供了更多用于協作項目的手臂

慶應義University大學項目Embodied Media的工程師旨在通過研究人類互動中的具體信息學來創建觸覺，虛擬現實，遠程體驗和迷戀事物，他們創造了Fusion，這是一種帶有兩臂的可穿戴機器人背包，可以幫助穿戴者進行協作項目。

“融合是一種遠程協作系統，允許兩個參與者共享相同的觀點和物理空間，以進行遠程操作和協作。該系統被設計為背包，并以三種不同的模式進行操作：直接協作，強制的身體指導和誘使的身體運動，從而實現有效的溝通”。

Fusion背后的大腦是敘利亞設計師Yamen Saraiji。它是在日本慶應義Media大學傳媒設計研究生院的Saraiji博士研究期間開發的。

戴著Oculus Rift VR頭戴式耳機的第二個用戶可以通過操作平臺的手持式Touch控制器從遠處操縱機械臂。機器人的頭部凝視用戶的肩膀，有兩個攝像頭，它們充當眼睛，以捕獲流向操作員的實時視頻。

或者這個方向：

由磁流變致動器驅動的輔助機器人腿，可協助人體運動

冗余的機器人肢體正在出現，以增強人體功能。與外骨骼不同，這些機器人為用戶提供了額外的運動學結構，從而實現了新穎的人機交互。理論上的上限表明，跟隨者步態在步態周期中的平均發射功率可以為84 W，比自主踝關節外骨骼高4倍。

2020年10月，在IEEE和日本機器人學會共同舉辦的2020國際智能機器人及系統大會（IROS）上，加拿大舍布魯克大學的研究人員展示了他們的「第三條腿」，還被評為IEEE網站最受歡迎的5篇博文之一。

研究人員最終希望推廣這類附加機械肢，根據人的需要，它們可發揮手臂、腿，甚至是尾巴的作用。和外骨骼不同，這種增強型四肢更簡單，無需研究人體的生物結構，它以第三或更高的手臂或腳來支撐人類行為，而且看起來更科幻。

外骨骼軟肌肉市場更多玩家

諸如Ekso，Lockheed Martin，Sarcos / Raytheon，BAE Systems，Panasonic，Honda，Daewoo，Noonee，Revision Military和Cyberdyne之類的公司都在為軍事和工業應用開發某種形式的外骨骼。

雖然機器人外骨骼技術領域仍處于起步階段，但專家們認為，它將在未來改變醫療保健和生產設施。

外骨骼的優勢

允許復雜的動作

外骨骼的設計通常帶有可與使用者的底層肌肉一起工作的柔性關節。這允許用戶進行各種各樣的運動。完善外骨骼后，這些服將有一天能夠用于使美軍士兵更快地奔跑，攜帶更重的武器并越過戰場上的障礙物。如今，外骨骼正用于汽車制造廠，可提高工人的績效并保護他們免受傷害。

有益于醫療保健

外骨骼可以用于醫療用途是有益的。外骨骼的開發人員創建可穿戴式機器人套裝，讓人們用下半身癱瘓再次直立行走。外骨骼制造商Ekso Bionics推出了下一代機器人外骨骼，稱為EksoNR。主要用于中風恢復期設計，直觀的外骨骼裝置再現了腿的自然運動，并幫助患者重新學習如何走路，坐下，并盡一切他們曾經做的事情。

保護勞動者在危險的條件

HAL外骨骼或混合輔助肢體外骨骼正在使用由日本政府。在2011年福島第一核電站災難之后，日本政府已經對各種機器人技術進行了測試。除了提供足夠的強度，外骨骼也減少了約50％的輻射暴露。它還有助于冷卻身體，當在地方的溫度像福島變得難以忍受。

圖片：ReWalk機器人

外骨骼的缺點

笨重

外骨骼往往是笨重的，有些可能會很重。雖然它可以幫助工人提高性能，也可以是不利的，因為它的重量。

速度

外骨骼提供一系列不同的速度和大多數由適度的速度稍微大于0.2米/秒是，這可能阻礙他們的一般用途，其特征在于。

抓握

由于缺乏適當的握力，許多脊髓損傷患者可能無法使用外骨骼。

壓力傷害

大約70％-75他們在他們的皮膚結構有可能打破剪切最小量的急劇變化一生中有脊髓損傷的經驗壓力傷害的人％。動力服可能有帶，以幫助站立和行走過程中保持靜態和動態的姿勢。具有降低的感覺和受損的外周循環中，這些條帶都有可能引起過大的剪切到周圍的軟組織并且可能導致壓力的傷害。

價格

外骨骼的最大的缺點是其價格。外骨骼可以花費大約$ 45,000，這就是為什么很多人買不起。

合越智享：

外骨骼，總之，是一種人類智能增強設備，未來的方向將是人機融合以及真正具有舒適度和可調剛度的柔性電子化集成。

人類增強外骨骼未來形態1(軟電子手套)

通過多模態傳感器融合來增強人體的感知和認知能力，更精準更高效地發揮身體的靈活性、能動性和創造力。

人類增強外骨骼未來形態2--(智能服裝功能電子)

“可穿戴微電網”襯衫包括汗水驅動的生物燃料電池，運動驅動的摩擦發電機和超級電容器，加州大學圣地亞哥分校。人類獲取能量的方式將從身體獲取，自立自強的智能服裝方式，增強人體勢能和運動能量的利用。

人類增強外骨骼未來形態3--(alex lab氫動力人造肌肉)

通過生物電子材料創新，創造出復合人造肌肉與人造神經的生物電子動力增強設備，外骨骼變成人造肌肉動力，仿生和舒適度將是未來外骨骼重要形態。

日本豐田，遠程遙控機器人，人類增強外骨骼未來形態4--可穿戴虛擬現實遙操作

人類相比宇宙和自然還是渺小的，僅掌握和增強自身能力難以應對那些身體無法適應的環境和工作時，人類通過自身可穿戴的電子裝置(比如，柔性電子數據手套、觸覺傳感器等)，通過對機器人的遠程操控，讓機器人模仿人類靈活的肢體運動，就能突破時間、空間和自然環境的束縛，用人類的智慧掌控機器人的智能，實現類人智能和避險操作。

將來，士兵，消防員和營救人員可以穿著基于紡織品的智能軟機器人外衣，以幫助他們穿越困難的地形并新鮮到達目的地甚至操控特種機器人替代人深入危險的環境，以便他們能夠進一步執行各自的有效任務。它們還可以成為增強神經退行性疾病患者和老年人活動能力和生活質量的有力手段。

更遠的未來有一天：人類融合

通過將人類體驗與阿凡達的體驗直接聯系起來，人類與機器人系統就可以共生。人類體驗機器人的世界，而機器人成為人類和人類智慧的延伸。

我們能做些什么？

南京合越智能，旨在追求人類增強智能，通過以生物機電一體化技術為基礎，以增材制造技術和電子新材料技術為依托，為柔性傳感器、可穿戴傳感器及多感官融合傳感器為開拓方向，為軟機器人、協作共融機器人、可穿戴電子、智能服裝電子、紡織品電子及印刷電子及新型人機交互等行業提供原型開發、感知與測量及物聯網、醫聯網與智能制造三網融合的行業應用解決方案。