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原标题：从延长器官到机械仿生，外骨骼将带来甚么？
图片来源@视觉中国
文｜根新将来，作者｜陈根
文｜根新将来，作者｜陈根
在科幻电影中，身着怪异装甲的人类往往可以获取极为弱小的才能。好比《钢铁侠》中能将全部身材包裹起来的特殊外套同样，这类特殊外套其实就是所谓的外骨骼，借助于外骨骼，经过机械装备与肌肉骨骼零碎协同任务，人们就可以获取超出本身的气力。
如今，在理想中，也曾经有了一批身负外骨骼安装的人，借助这类科幻式的技术，瘫痪的人群可以从新站立，再次行走。固然，除了在痊愈安康畛域，外骨骼的运用场景还有得多。其中最受关注的一个运用，就是将来有一天咱们也许也会用机械仿生体来培修和降级咱们的身材。
在不远的未来，咱们也许基本不需求穿着假肢就可以够成为一个机械仿生人。一种新型的外骨骼安装能够为每集体都带来不成思议的绿巨人般的气力。不外，听起来美妙的面前，还需求面临诸多应战。
最首要的运用
严格意义上，外骨骼其实不算一个太新的概念，其初期雏形乃至能够追溯到蒸汽机时期，过后的人们就曾经开始想象如何利用蒸汽能源辅佐行走。1890年的美国专利中，曾经有人提出将机械构造装在人身上以加强人体跑步和腾跃才能 。
外骨骼的真正工程化落地仍是在二战之后，也许是从出于军事的需求，好比，过后通用电气就曾做过一个全身的增力外骨骼。只管各种钻研也始终都有，但受制于过后的工业程度，外骨骼也始终处于一个钻研中的形态。真实的商业化外骨骼泛起在 2000 年摆布，不外，在 2016 年以前，寰球的专利数不超过 100 项，但在 2016 年之后则开始指数级减少。
外骨骼最为首要的运用，显然就是与脑机接口配合，在医疗痊愈畛域帮忙瘫痪或肢体残疾的人们从新站立。2013 年，一项由美国杜克大学的神经迷信家米格尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis）主导的国内联结名目，名目汇聚了来自世界各地的神经迷信家、机械工程师、神经痊愈专家等各类专业人士，米格尔创建该名目的终纵目标就是想利用外骨骼和脑机接口的结合改动瘫痪者的糊口品质。
详细来看，钻研团队先是在患者头部衔接有采集大脑电信号的安装，这些信号会经过无线装备传输到患者们随身携带的机器中。
在这里，来自卑脑的电信号（外骨骼安装中为静止信号）会被机器转换成静止指令，接纳到指令后，外骨骼安装就可以不乱住患者的躯体，并按照信号来让机械肢体后退或者前进。从患者大脑收回信号，到管制外骨骼静止，全部进程大约只需求 300 毫秒就可以实现。
固然，想要经过意念管制机械装备来让瘫痪患者实现举措，还需求不停进行调剂，哪怕是简略地握着水杯喝水，各种输入和输出信号都会在大脑的各个脑区之间传送。
这些信号可以告知患者从何种角度握住杯子不易手滑，用多大的力可以握紧杯子，杯子中的水是凉的仍是热的。这象征着，患者不克不及只是单纯地输入信号来管制机械安装，他们的大脑一样需求接纳到反馈。
展开全文 因此，在米格尔的外骨骼安装中，每一个只机械下肢的顶端都配置了一块能够感触温度、压力和间隔的感触器，钻研团队将其称作人造皮肤。经过这块感触器，患者就可以够感触到来自脚部的觉得，他们不只可以利用机械外骨骼做一些想做的举措，还可以知道本人走路的形态。
如今，曾经有愈来愈多的外骨骼装备被用于帮忙瘫痪患者和肢体残疾的患者，经过将大脑间接衔接到外骨骼，这些病人就能流动他们瘫痪的四肢。只管外骨骼技术目前依然处于极初期的开展阶段，但外骨骼的价钱、重量、电池寿命以及形状等正在失掉改进。
总有一天，人们极可能会把这些外骨骼穿在他们的衣服下，而且在没有人可以察觉的状况下到处走动。四肢瘫痪的人们也能够过上接近正一般人的糊口。四肢瘫痪的人们可能会穿上一条超级轻便柔软的外骨骼裤子，而后就像甚么也没有产生同样持续一天的正常糊口。
外骨骼能做甚么？
固然，在医疗痊愈的行业以外，外骨骼的运用也许比咱们想得更为普遍，从战场到工厂，穿着式人造骨骼及肌肉都正为人们带来帮忙与维护。
好比，在战场，即使全副武装，在士兵身上仍然有许多中央尚未被防弹衣和头盔掩盖。事实上，这样的面积约为81%。添加更多的护甲将会过于繁重而不成行。解决的办法之一就是打造配有人造肌肉的另外一套内部骨架，能让佩戴者绝不费劲地背负起重很多的设备。
关于此，最早进的一款产品是由佛蒙特州的Revision Military公司制作的“能源功课套装”（Kinetic Operations Suit ，KOS）。该产品令士兵失掉三倍的盔甲维护而不会对其行为削减多少担负。
其中，人造关节脊柱把设备头盔（彻底掩盖穿着者的头部）的大部份重量转移到肩膀的护甲上。一样，维护躯干的护甲也经过人造脊柱的另外一部份把重量转移到臀部和腿部。只管这些加重了对颈部和下背部的压力，但士兵的腿部仍须接受额定的重量。
为理解决这一问题，KOS将钛铝合金传动安装绑到士兵的下肢上，配合盔甲使用。电动马达接纳到减速度计等外置传感器的唆使后，带动这些传动安装与士兵的双腿同步挪动。
据如今在Revision Military公司任务的美军前特种部队士兵布莱恩·道林（Brian Dowling）表现，该零碎够轻便也够牢固，可帮忙穿着者在全副武装之下奔驰于起伏地形之上。包罗美国在内的多国军方正在评价这样的鼓吹。
比KOS更具野心的另外一款军用外骨骼则由特种部队自行开发。该名目的承包商包罗美国许多出名的防务公司，如通用能源（General Dynamics）、洛克希德马丁（Lockheed Martin）和雷神（Raytheon）。
这些公司将这一产品命名为“战术突击轻型功课套装”（Tactical Assault Light Operator Suit，TALOS）。TALOS的重量将是穿着它的士兵体重的两倍。部件虽重，却可令整套设备进攻枪弹和弹片。它还为穿着者提供降温零碎、一组监控其生理目标的传感器，以及超人般的气力。
固然，外骨骼其实不只是只要医疗和战场的运用。在工业畛域，外骨骼也大有所用。美国机械仿生体公司（US Bionics）曾经开收回了一系列工业用外骨骼，以包管工人在处置大体积的重型负荷时不会扭伤背部、手臂以及腿部。其目的正式是增加与任务无关的挫伤并进步工人的任务效力。
另外，还有由洛克希德马丁公司和英国防务巨头BAE零碎公司（BAE Systems）开发的无能源外骨骼已投入使用——用于工业出产而非军事用处。
这款重17.5千克的无能源外骨骼，名为FORTIS。美国海军及十多家制作企业正在试用该零碎。 FORTIS的铰接式铝制框架撑起一个万向臂。工人身前的万向臂一端与其使用的工具相衔接。工人身后的另外一端附有相应的配重。
无论工人是以站姿仍是跪姿操作，工具及配重的总重量会经过外骨骼而非其本身骨骼被转移到高空上。
此外，在德国弗劳恩霍夫钻研所（Fraunhofer Institute）斯图加特校区担任Robo-Mate研发名目的卡门·康斯坦丁内斯库视察到，这些产品还将从新定义胜任工人的资历。外骨骼打消了男性的膂力劣势，使得女性无机会从事如今感觉费劲的任务。它们也会帮到那些本来不能不保持任务的年长男性。
在外骨骼世界到来以前
在外骨骼技术的反对下，在不远的未来，任何一集体都可以成为一个机械仿生人。固然，在完成穿着式外骨骼这一指标以前还要战胜重重障碍。
首先，穿着式外骨骼想要完成自若的管制，就需求研收回能够一次性平安牢靠地植入人大脑里数年之久的新一代微型芯片。
而事实上，与皮层相干的芯片植入形式如今却还面临着慢性神经炎症，局部脑组织损伤，以及局部脑组织损伤带来的细胞反映，好比小神经胶质反映和星形胶质细胞反映，还有电极穿透时诱发的细胞外基量变化的反映。这些都是因电极植入惹起的慢性脑组织反映，他们不只会影响信号长时间采集，还会惹起人脑可能的恶性变异。
其次，需求研收回无线传感器，这样能力包管外骨骼能够自在行走——固定在穿着者腰带或其余部位的手机般大小的计算机担任接纳大脑收回的无线信号。
再次，经过计算机解码和编译大脑所传出的信号的新技术一定要跟得上。关于猴子而言，管制机械手臂需求数百个神经元。而关于人类，最少需求数千个神经元能力管制一只胳膊或一条腿。但如今，现有的电极阵列再怎么精细，斟酌到实际的试验状况，一次可以同时记载到的神经元信号数目也根本都只要两位数，比拟于全部大脑，乃至仅仅一个脑区或者核团之中天文数字的神经元总数，这么一点样本量到底能阐明多少问题自身都是个问题。
最初，还要有足够的便携式动力供给安装，撑持整套外骨骼零碎的运行。到目前为止，国际外的机械外骨骼的驱动安装大都是以蓄电池供电，但蓄电池的挪动规模以及其负重重量同样成为限度机械外骨骼自在度以及运用规模的首要要素。
一方面，蓄电池电量和效力的限度，使得单次充电续航里程无限，其挪动规模遭到限度，无奈知足机械外骨骼的长间隔静止需要。另外一方面，蓄电池的功率无限。其能源显著缺乏，无奈知足外骨骼机器人高负重任务的需求。因此，给机械外骨骼拆卸轻便耐久高效的能源零碎仍然是眼下急需解决的问题。
外骨骼技术的降生，是为了将人体与机械进行结合，这固然承诺了人们美妙的运用前景：像《钢铁侠》中的Mark同样，钢铁侠全身覆甲抵挡攻打，内置制导、激光武器，推动器，航行均衡器及生命维持与急救安装；全身信息感知掩盖，搭载了智能AI及卫星无线衔接功用。
同为科幻系列的漂泊地球中退场外骨骼则更多的体现了工程抢险救灾的一面，在危难场景协助使用者凸起重重险境，电影中军用型外骨骼做到了可搭载重型设备，造成集体机动火力点，对指标进行压抑。《光环》系列中士官长所设备的作战服则更像是人类在边远的远将来时期进行外星殖民的必备设备。而“使命召唤-初级和平”的配景环境就是近将来的2054年，所退场的单兵外骨骼更为合乎实际的军事需要。
但对技术热心的期盼之下，这也波及了一个更粗浅的问题：在开脱肉身约束时，咱们的身材和大脑又究竟想要多大的管制规模？将来外骨骼，又将率领人类进入怎么样的世界 ？ |
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