新华社 瞭望|钢铁机甲,如何为凡人躯体赋能?

1013
发表时间:2023-05-16 22:22来源:新华社
文章附图

“轻量化、智能化是机械外骨骼的进化趋势。如果看向更长的时间尺度,仍在实验室研发阶段的仿生柔性外骨骼极具潜力,未来的机械外骨骼或许能像普通衣服一样穿在身上。”

虽然不确定机械外骨骼会不会成为钢铁侠的机甲,但在工业领域成为未来的“电动螺丝刀”应该不成问题。“不同于工业机器人的专用型特点,机械外骨骼更像通用型设备,只要是人能做的工作,它都可以配合着人一起干”

从发展趋势判断,机械外骨骼会更轻便、更智能、更柔性,但它能否普及、何时才会普及的关键不在于机械外骨骼本身,而是取决于基础科学的进步,包括但不限于材料、电池、驱动方式和芯片技术等

ChatGPT最近给我们带来新的思考,未来有可能让机器自己去学习,然后去个性化适应使用者的行为习惯。ChatGPT是语言模型,能学习语言就意味着未来也可以学习动作。可以想见,机器软件的适应度会因此变得更强

文 | 主持人 董雪 《瞭望》新闻周刊记者 许东远 程思琪

在漫威系列作品中,钢铁侠是个特殊的存在,他不是靠基因变异获得超能力,而是用钢铁机甲为凡人躯体赋能。本期“懂点科技”将向您展示已经走入真实生活的钢铁机甲。

它们又叫“机械外骨骼”,今年上半年因本色出演《流浪地球2》受到关注。《瞭望》新闻周刊记者体验发现,穿上机械外骨骼类似于进入某种“人机协作”的状态,既得到了机械的力量,又保持着人的主导性和灵活性,整体效果一加一大于二。

不同于科幻电影里不计成本畅想颠覆性技术,这些现实中的钢铁机甲非常朴实:外形设计不华丽,采用黑灰色调,技术上追求实用、安全、节约成本,功能上以针对单个关节的外骨骼为主。

“轻量化、智能化是机械外骨骼的进化趋势。如果看向更长的时间尺度,仍在实验室研发阶段的仿生柔性外骨骼极具潜力,未来的机械外骨骼或许能像普通衣服一样穿在身上。”为《流浪地球2》提供机械外骨骼的科技企业傲鲨智能创始人徐振华说。

穿在身上的单关节外骨骼机器人

细心的观众会发现,《流浪地球2》中出现了三种机械外骨骼:

第一种最常见,士兵搬运物资时穿着单关节机械外骨骼作为背景出现,包括上肢、腰部、腿部三种;

第二种是酷炫的力量级机械臂,女主角韩朵朵在太空电梯穿上机械臂给了反派一拳绝杀;

第三种是影迷们非常喜欢的门框形态机器人,人穿上某种控制装置,远程操控机器人执行任务,仿佛赋予人一个功能强大的机械躯体。

毫无疑问,第一种是三者中结构最简单的初级形态。记者采访了解到,第一种也代表了现阶段“机甲”的主流形态。

与大家想的一样,“机甲”确实能让人力量倍增,即使只作用于单个关节。记者近日在傲鲨智能公司试穿了针对腰部的单关节机械外骨骼,搬起重物起身时,明显感受到外骨骼给腰部施加了一个力,原本拎不动的30公斤重沙袋被轻松拎起,而且还有进一步加重的空间。而正常成年女性能拎起的重量一般在15公斤左右。

从技术层面分析,用机械给腰部一个力很简单,难在什么时候给力,给什么方向的力、多大的力。如果力给慢了,穿戴者会感到机械很迟钝,体验差。如果力的方向给反了,不但不能助力,还会拖后腿。更要命的是,如果力给得太大,很可能拉扯腰部过度后仰,对人体造成伤害。

因此,机械外骨骼首先要具备侦测并预判人体动作的能力,这靠的是传感器和软件数据库。

“传感器相当于感知器,软件数据库相当于‘大脑’。”徐振华说,“我们建立软件数据库,通过收集人各种各样的动作,归纳整理出基本的动作运行模型。传感器感知到人体的运动状态后,根据软件数据库预判人的下一步动作,然后快速施加辅助力。”

在采访现场,记者看到有工作人员踩在一台仪器上模拟行走。徐振华介绍,这是在收集足底运动信息,包括人站立或行走时的足底压力分析、步态分析等。更多的时候,研发人员会直接穿着各类机械外骨骼做各类动作,利用机械外骨骼自带的传感器或后配上的特殊鞋垫收集动作信息。一般来说,30人次到40人次的运动数据是一款机械外骨骼的基础数据量。

研发人员自己的动作,是数据库的重要组成。也有一些用户愿意贡献出数据,帮助产品迭代升级。这些数据能让机械外骨骼更好地适应不同用户的需求。“我们在行业大数据库下,还有面向不同公司的细分小数据库。”徐振华说,“同一行业下不同公司的用户动作有共通性,也会有一定的个性,比如某些助力角度不同。我们会根据各公司需求对动作运行模型进行调整。”

试穿腰部外骨骼有什么美中不足?30公斤的重物虽然可以轻松拎起,但拎起后的重量依旧由人体承担。就像有人帮忙把沙袋放到背上后松了手,记者感到背部负重明显。

即便这样,腰部外骨骼在物流等领域很受欢迎。徐振华介绍,物流人员需要重复性短距离搬运物品,弯腰起身频率很高,且每次负重的时间很短,腰部外骨骼大大减轻了他们的工作强度。

另外,上肢外骨骼支撑的是肩臂,适用于需要手臂长时间托举的工业应用,比如在汽车、高铁、飞机等总装线上辅助打铆钉、装线束、安装配件的工作人员。下肢外骨骼则主要应用于负重行走、医疗康复训练等场景。

全身型外骨骼触碰技术天花板

比单关节外骨骼更进一步的形态是全身型外骨骼,机械把整个人从肩膀到脚都包裹起来,更接近人们想象中的钢铁机甲。

美国的萨科斯机器人技术公司(Sarcos Robotics)2020年在国际消费类电子产品展览会上展出了一款拥有24个自由度的全身型外骨骼机器人(自由度指的是机器人能够独立运动的关节数目),被业界视为技术天花板一样的存在。

这款外骨骼看起来有些笨重,仿佛把生产线上的工业机器人穿在了身上,整个人变宽一倍。不过根据展览视频,它的运动状态远比外形灵活,也解决了前述腰部单关节外骨骼需要穿戴者自身负重的问题。公开资料显示,人穿上它能举起200磅(约91公斤)的重物,实际感觉自己仅举起10磅的重物。

“美国萨科斯的全身型外骨骼有一些商业化进展,比如造船厂用于零部件搬运,飞机制造商用于发动机涡轮叶片的安装。”徐振华介绍,从国际前沿的应用来看,全身型机械外骨骼适用于更复杂的工业场景,比如除了搬起重物以外,还有非固定路线行走、协助安装等需求,“它们走得比较慢,还不能跑跳。好在一些工业场景不需要快速行动,这个缺点可以被局部接受。”

总体上看,全身型外骨骼机器人在市场上的应用还比较少,价格、自重、使用难度超出接受范围,还需要进一步技术迭代。

以傲鲨智能为例,他们的第一款全身型外骨骼机器人最近推出。风格上延续了单关节外骨骼简约低调的风格,有点像把上肢、腰部和腿部等单关节外骨骼组合起来,定制它的客户是高校,用作科研。

徐振华具体介绍说,一是现在的全身型外骨骼机器人价格昂贵,科研领域和医疗领域零星购买或许可以接受,工业领域批量化应用还很难。二是自重对机械外骨骼的影响非常大,质量越大惯性越大,对人体运动的阻碍越大,功耗也会增加。三是使用穿戴需要经过专业培训,它们的关节数量更多,意味着人要适应的外骨骼数量更多,技术功能和安全要求也更多。

另外,《流浪地球2》中的门框形态外骨骼机器人,现在工业领域也有一些初级形态,矿山、港口等场景下远程操控的机械设备较为典型。比如操作者远程操控港口的吊机,操作者能以第一视角看到吊机所在的环境,吊机也会根据人的指令完成相应任务。差距在于,人与机械的通联程度低,且机械能做的事情单一。

外骨骼机器人在现实中使用 受访者供图

工业领域未来的“电动螺丝刀”

关于机械外骨骼的起源可以追溯到20世纪,当时处于纯粹去验证这个东西是否可行的学术阶段。徐振华告诉记者,随着硬件技术和软件工具进步,他在2017年感受到机械外骨骼发展加速,市场化步伐加快。最先是用到医疗领域帮助人体康复训练,随后作为人机协作设备扩展到工业领域,国际上有名的企业主要有美国机器人企业萨科斯、德国假肢供应商奥托博克、日本外骨骼制造商Atoun等。

虽然不确定机械外骨骼会不会成为钢铁侠的机甲,但在工业领域成为未来的“电动螺丝刀”应该不成问题。“不同于工业机器人的专用型特点,机械外骨骼更像通用型设备,只要是人能做的工作,它都可以配合着人一起干。”徐振华分析。

从发展趋势判断,机械外骨骼会更轻便、更智能、更柔性,但它能否普及、何时才会普及的关键不在于机械外骨骼本身,而是取决于基础科学的进步,包括但不限于材料、电池、驱动方式和芯片技术。

——更轻便,需要软硬件共同发力。记者采访了解到,影响机械外骨骼自重的不只是材料,结构设计和算法更加重要。结构设计包括传感器、电机布局等,“如果可以减少传感器的数量,就可以减少很多结构,自重自然就轻了”。算法对功耗起着决定性作用,差的算法会特别耗电,进而需要更大的电池容量。

——更智能,人工智能将发挥作用。“我们现在是人工设定一个标准化运行模型去适应不同客户。ChatGPT最近给我们带来新的思考,未来有可能让机器自己去学习,然后去个性化适应使用者的行为习惯。”徐振华说,“关于ChatGPT在机械外骨骼领域的应用,我们还处于偏早期的研究。我们的技术合作方和业界技术大牛普遍认同,人工智能可以学习语言,就意味着未来也能学习动作。”

可以想象,如果类似ChatGPT的大动作模型诞生,现在靠人力归纳调整动作运行模型的方式或许会被改变,人工智能将在更大的数据量、更精细的尺度上学习人的动作特征。机械外骨骼可能因此出现两个变化,一是基础能力增强,即更快、更精准地识别出穿戴者的更多动作,二是个性化增强,不再是适应某类工种的动作特征,而是匹配每个人的行为习惯。“‘匹配’对机械外骨骼来说非常关键,探索人工智能手段是让机械外骨骼更好地匹配人。”徐振华说。

——更柔性,寄希望于仿生技术进步。徐振华介绍,柔性驱动方式主要是用钢丝、尼龙等线绳模仿人体肌肉布局,再用电机驱动这些线绳,目前还在实验室阶段。“如果柔性驱动方式未来能普及,外骨骼会做得更轻巧,更贴合人体。”

采访的最后,徐振华告诉记者一个他经常被问到的问题:机械外骨骼是不是机器人的过渡阶段?

他的回答是:这是两种不一样的东西,它们的发展是并行的。

2004年徐振华在上海交通大学读书时,还没有机械外骨骼的概念,单纯是研究机器人。后来他发现,很多事情是机器人做不了的,为什么不能人和机器协同呢?在机械外骨骼领域探索多年后,他的观点更加明确:即使是在未来,依旧有很多事情需要人来完成,而辅助人就是机械外骨骼存在的意义。■


产品
021-80158675
创新
服务与支持
公司
info@ulsrobotics.com
© 2018-2024 ULS Robotics Co.,Ltd. | 上海傲鲨智能科技有限公司 | 版权所有 |                                            |
|