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为让16岁的儿子站起来,机器人工程师父亲打造了一套外骨骼装置

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机器之心报道

编辑:张倩、蛋酱

在外骨骼装置的帮助下,Oscar 从轮椅上站了起来开始走路,这或许是父亲 Jean-Louis Constanza 当年决定加入一家机器人公司的最大收获。


「机器人,站起来。」当 16 岁的 Oscar 下达这个命令时,他身上绑定的框架缓缓地将他抬起,然后开始走路。

外骨骼装置绑在 Oscar 的肩膀、胸部、腰部、膝盖和双脚,让他能够转身并穿过房间。对于拥有遗传性神经疾病的他来说,这原本是不可能完成的动作。

「以前,我需要有人帮助我走路,但现在我感觉到自己很独立,」Oscar 说。这套装置是父亲 Jean-Louis Constanza 为他打造的,Jean-Louis Constanza 现在是外骨骼制造公司 Wandercraft 的联合创始人之一。

有一天, Oscar 问Jean-Louis Constanza:「爸爸,你在机器人公司上班,为什么不做个东西让我能走路呢?」如今,这个目标实现了。


「十年后,轮椅或许将不复存在。」Jean-Louis Constanza 说道。

全球范围内有很多家公司在制造外骨骼,也尽可能地增强其易用性。一些机器人的应用目标是帮助残疾人行走,另一些可能是帮助缓解工厂工人站立的疲惫感。

Wandercraft 是一家总部位于巴黎的法国初创公司,Nicolas Simon 是巴黎综合理工学院机器人俱乐部的主席,他和两位同行 Alexandre Boulanger、Matthieu Masselin 在 2012 年创立了这家公司,并在几年后迎来了 Jean-Louis Constanza 的加入。

2017 年,Wandercraft 进行了外骨骼装置的全球首例临床试验,表明截瘫患者可以在没有拐杖的情况下行走。当时的概念实验设备最终演变成了 Atalante,这是 Wandercraft 开发的最新一代下肢外骨骼设备,它使用 12 个驱动关节(actuated joint)来帮助下肢运动障碍的人恢复移动能力。这是该公司的第一款商用设备,2019 年获得了欧洲的 CE 标志,目前已经销售给了法国、卢森堡和美国的数十家医院,每件售价约为 15 万欧元 (约合 17.6 万美元)。


不过,它还不能售卖给个人用于日常生活,因为个人外骨骼装置需要在重量上做到更轻。Wandercraft 一直在联合学界的相关研究者,对 Atalante 进行改进。在去年的机器人顶级会议 ICRA 上,加州理工和清华大学的研究者提出了一种叫做 COSPAR 的算法,它可以将合作学习应用于下肢外骨骼操作时对人类偏好的适应。研究者基于 Atalante 外骨骼装置进行了实验,希望尽可能地优化 Atalante 步态,最大程度提升用户舒适度。

COSPAR 基于用户反馈更新模型,并用它来选择新试验的动作,并诱导反馈。实验过程如下:

33 岁的 Kevin Piette 在一场十年前的车祸中丧失了行走能力,他也试用了 Atalante ,拿着遥控器在自己的公寓里来回行走。他表示:「信息不是从大脑传递到腿部,而是从遥控器传递到腿部,」而前者需要脑机接口技术的辅助。

在看了这对父子的故事之后,有人表示,ta 也做了一个类似的东西帮助自己的侄子行走。这是一个针对儿童的辅助行走装置,目前已经商用。


这位网友表示,「公众已经开始注意到我们正在做的工作,但我们还需要更多人来研究外骨骼和类似的矫形器。」

哪些领域需要外骨骼?

机械外骨骼也叫动力外骨骼(Powered exoskeleton),是一种由机械框架构成并且可让人穿上的机器装置,这个装备可以提供额外能量来供四肢运动。

问世之初,动力外骨骼更倾向于军用。这些外骨骼使用了最新的复合材料,并利用了高端传感器、人工智能和物联网等新兴技术,可以帮助士兵更快地行走并携带更重的装备,使部队能够在极端条件下也能保持活跃。全球行业分析公司(GIA)6 月份发布的一项报告表明,到 2026 年,全球军用外骨骼市场将达到 21 亿美元(2020 年为 11 亿美元)。


在工业领域,生产环境恶劣、人口老龄化等因素加剧了用工荒问题。虽然工业机器人可以在一定程度上缓解该问题,但很多关键岗位依然需要熟练的工人现场操作。为了吸引技术人才,现代、福特、通用等大型制造类企业正在尝试研发外骨骼技术改善工人的生产环境。这些外骨骼可以贴合人的不同部位,比如腰、下肢等,对于流水线作业的工人尤其有用。


最近,还有人将这一技术用到了服务领域。今年 4 月份,一位外卖骑手背三个外卖箱的照片引发热议。这个骑手装备了一套全身形外骨骼机甲,设计自重 16 公斤,额定负载 50 公斤。该外卖平台介绍说,「工作时,通过整个骨骼把力量传导到地面,不管设备有多重或者背负的物体有多重,人主要承担操作力,肩膀只承担 5-10 公斤的力。」


这些应用让人看到了科幻走向现实的可能。但我们最希望看到的,还是外骨骼在医疗领域的应用。它可以帮助脊椎、四肢等严重受伤的患者再次行走。

医疗领域直接面向个人,因此成本问题将成为一个很大的拦路虎。但如果保险行业将其纳入覆盖范围呢?

在外骨骼问世之初,保险行业并没有立即将其纳入保险范围,因为当时并没有数据能够表明外骨骼长期来看可以节约医疗成本。

随着外骨骼应用不断扩展,情况开始发生转变。在过去的 10 年中,外骨骼制造商们已经积累了大量数据。这些数据表明,外骨骼确实能节省终生医疗成本。

于是,2018 年,德国做出了一个具有里程碑意义的决定,将外骨骼列入了其官方的医疗援助清单,并让保险公司划定了一定程度的赔偿义务。在此之后,意大利、美国、日本等国家的部分保险公司也做出了类似的决定。保险行业的加入或许会为医疗外骨骼未来十年的发展提供助力。

当然,与保险相比,医疗外骨骼成本的下降才是解决问题的根本方法,这也是外骨骼制造商们一直以来努力的方向。有人在关于这一话题的讨论中表示,希望这一领域发展得快一些,让自己年迈、行动不便的父母也能用上。

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