《钢铁侠》电影中，最吸引人的就是史塔克打造的那一套套装甲了。在现实世界中，有不少公司、个人，都在试图打造如钢铁侠装甲一般的机械外骨骼。

一、什么是外骨骼？

“外骨骼”一词来源于生物学中，主要是指为昆虫和有壳类动物提供防护和支撑功能的坚硬外壳。人体机械外骨骼系统指的是一种穿戴在操作者身体外部的装置系统。骨骼肌操作者身体受到保护、支撑的同时，通过传感、控制、信息耦合、移动计算等先进技术提供额外动力或能力。人体机能的增强，使操作者可以实现更高难度的功能和任务。

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为了应对不同情况，每种外骨骼装置都有着一套独特的交互逻辑。其机械结构的设计一般基于仿生学和动力学。

在使用时，系统会通过在人体和外骨骼系统中安放的压力、角度、加速度等各种传感器，实时感知人体和肢体的运动信息、力信息和生理信息。这些信息汇总后会进行滤波和融合处理，并将处理结果传输给嵌入式计算处理器。

计算处理器会综合各传感器信息，利用相应的感知和预测算法，感知人体姿态、运动趋势和人机耦合度等情况。同时，控制系统会综合处理后的信息，将其转换为控制参数，并采用人机耦合、智能控制等方法驱动装置执行相关动作，期间，外骨骼装置会同时，实时跟踪人体运动并为人体运动提供高效合适的助力，并满足人机耦合协同运动的柔顺性要求，将人和机器整合成为完整的“人机耦合系统”。

二、骨骼肌的分类

根据辅助人体部位，可分为上肢外骨骼、下肢外骨骼、全身外骨骼和某个关节外骨骼等。

以色列的Argo医疗技术公司推出的reWalk是一种帮助下肢功能障碍者行走、站立和上下楼梯的外骨骼系统。其结构包括轻量可穿戴的支撑结构、执行电机、传感系统、计算机控制系统和电源系统。其控制算法通过对上身运动进行分析，来触发和维持步态和其他操作，如爬楼梯和姿态转换等。

根据使用途径可以区分为增幅型和辅助型，增幅型主要运用在军事及工业领域。

在2006年，一家名为Sarcos的科研企业的产品经过了DARPA的方案审核。旗下的XOS其具备前所未有的灵活性和灵敏度，同时紧贴身体表面的传感器能够感应到穿戴者的动作幅度和力度，通过算法运算可以在使用者运动幅度内输出6倍的力度，这使得它名声大噪。该公司在2010年又研发出XOS-2动力外骨骼系统，相较上一代产品重量轻了10%，能耗降低了50%。力量增幅却达到了惊人的17倍。其性能全面增长使之深得美国军方认可，并被《时代》杂志列为2010年的50大发明之一。

像是钢铁侠战衣的那种就属于增幅型，可以极大提高身体的机能性，完成一些无法想象的动作。而辅助型则在医疗领域较为常见，一般用于补偿人体功能缺陷或不足，像是一些假肢和外科手术的辅助机械臂都是属于这个范畴，多用于在医疗保健和康复服务。

三、骨骼肌的未来发展

随着进一步的发展越多的问题也随之出现，对于各项技术的要求越发地精进，使得发展的速度尤为缓慢，机械结构的设计需要满足轻质、坚韧、舒适和承力的要求同时在舒适性上不仅是穿戴上后人体静止时的感觉，更重要的是最小化运动过程中的约束感；且能够应用于不同的身高和体型。

承力要求在不同运动姿态的情况下，外骨骼系统中的机械承载机构不仅要有适宜的支撑力，还要尽量维持运动过程中人机系统的重心平衡，支撑人体多自由度上的运动能力。承力需要研究运动学、动力学和力传递，分析各部位承受的载荷大小及方向，确立其力的传递。

人体结构是多关节、多自由度的连接，仅通过单一的传感设备无法分析人体的整体运动状态，人机接El系统需要综合运用大量的传感器，建立多人机交互通道，使人机以自然、并行的方式进行人机交互，采集人运动过程中的力、位移、速度、加速度、倾角和生物电信号等信息，实现外骨骼系统对外界环境和穿戴者的灵敏精确感知。

而能源一直是制约便携式设备的一个瓶颈。人体外骨骼服要求能源系统长效、轻便、高能、可靠和安全。如果没有像钢铁侠一样的反应核心的话是很难支撑那么庞大的能量消耗的。

目前就外骨骼机器人的应用前景上来看，虽然各种厂商作出了各种尝试，但是短期内最广阔三大市场主要是战地后援、重型工业和医疗场景。但和智能机器人一样，未来外骨骼机器人的主要市场一定还是消费级市场，例如针对户外行走、徒步、爬山、攀登等轻应用，生产适用于膝盖、大腿、鞋子、手臂等单个部件形式的产品，通过多元化、高自由度的设备组合方案满足不同人群的各类需求。

说不定哪天我们梦想中的钢铁侠就会到来了。

参考文献：

[1] Yagn N．Apparatus for facilitating walking US420179A．1890／01／28[OL]

[2] 李晓明. 基于外骨骼技术的机器人远程控制[D].浙江大学，2004.

[3] 李会营, 王惠源, 张鹏军, 等. 外骨骼机器人发展趋势研究[J]. 机械工程师, 2011, 8: 9-10.

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作者：超离谱科技 科普团队

审核：陶宁 中科院生物物理所 副研究员

来源: 星空计划

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