让技术宅门口水倒流的可穿戴助力设备

  目前可穿戴设备和智能硬件多半都还停留在概念和名不副实的困境中。但如果可穿戴助力设备达到基本可用,且成本可控,则在生产和生活领域会呈现出巨大的需求,这一点无论是缺乏劳动力的日本,和人口日趋老龄化的中国,都是非常明显的一种可预期未来。那么可穿戴助力设备,是否可能成为下一个真正引爆可穿戴设备的领域?

在Marvel的世界里,托尼-斯塔克穿着动力外骨骼系统(可穿戴助力系统),泡妞打怪拯救世界。强大的性能和拉风的外形,让技术宅们口水止不住的流下来。

外骨骼Exoskeleton是一个生物学领域使用的词,节肢类动物如虾的表层一般有一层硬壳,起到了支撑和保护内部柔软组织的作用。早在1890年,发明家们注意到这点,并设想人类也能穿上类似的设备来增强自身,这也许是最早的智能可穿戴设备的设想之一了。

当前可穿戴设备的概念越炒越热,但能引爆市场的产品却不多,更多的产品停留在概念和摸索的阶段。如果说手环、手表、眼镜这样的可穿戴外设是锦上添花,那么助力系统对于用户来说无异于雪中送炭。无论是应对残疾、解决老龄化下劳动力效率问题、还是作为单兵武器加强国防,这样的系统都具有重要的现实意义

百年来人类对于钢铁侠的梦想从未停滞,动力外骨骼系统出现在无数的科幻电影和游戏大作中。1960年,GE公司就开发出原型机Hardiman,设计上可以让人轻松举起150KG的重物。但它本身超过650KG的自重让GE的高层眼睛都没眨直接放弃这个计划。随着技术的进步,越来越多的创业公司加入到了可穿戴助力系统的研发大军中,努力研发让理想照进现实。现在我们来盘点一下,在通往理想的道路上还有多少荆棘。

挑战一:控制系统

可穿戴助力设备必须能够理解穿戴者的意图,根据其意图来执行操作。整个过程不能太慢,过分的延迟会让用户不舒适。同时也要把握适当的力度,驱动关节的马达如果输出过大甚至可能会让操作者受伤。一个使用这种设备的残疾人如果不能很好的控制步幅、步速、协调重心,随时有从楼梯上跌下的危险。这种动作跟随的实现,有着很高的技术门槛。

上图是日本筑波大学企业CYBERDYNE的产品HAL(Hybrid Assistive Limb),是世界上第一款作为可穿戴助力系统通过ISO13482认证的设备,它的医用改进型更是作为医疗设备通过了欧盟CE认证。它被设计用来帮助下肢肌肉萎缩的患者,当你想要站起来、行走、停住、抬起腿上下楼梯时,它都会恰如其分的来帮助你完成。当习惯后,就如同身体的延伸一般舒适。

为了能够得到使用者的意图,HAL主要采用了肌电信号感知技术。当需要运动时,大脑会通过神经发送生物电信号到肌肉,这些微弱的电信号中有一部分会泄漏到皮肤表层。HAL能够捕捉到这些信号,学习它的模式并做出相应的动作。地面压力传感器、重力加速器、肌肉压力传感器等则用来辅助完成判断,最终能够准确的掌握各个关节运动的方向和力度。

用户需要一定的训练来与HAL磨合,让HAL的机器学习系统能够抓住用户的运动模式。

与钢铁侠面罩中的显示系统类似,HAL同时也提供传统的状态面板和按钮工具让用户能更直接的控制整套系统,以应对运算部件失效等突发情况。

这样通过机器学习、实时运算、多种传感器协作、以及传统控制系统的补充,HAL能够完美的领会主人的意图,实现自然的动作跟随,让它成为肢体的延伸。

其它还有通过脑波来进行进行控制的科学实验,相信大家不会忘了在巴西世界杯上截瘫的朱利亚诺·平托凭借助力系统开球的场景。这无疑是世界杯历史上最具科技含量的一脚开球,但它的研究氛围太浓,未来数年内也只能是实验室里的超级玩具。

挑战二:工业设计与制造成本

除了复杂的控制系统,可穿戴助力系统对于工业设计要求也相当的高。读到这里相信很多创业者们振臂高呼:“我们特别擅长把东西做漂亮!”不过这里的设计除了外形科技感十足抓眼球,更多的还是让整套系统布置合理、使用舒适,满足用户需求。

松下旗下的ActiveLink决定在2015年开始量产他们的机械套装,帮助老迈的建筑员工搬运货物。如果你见过他们的早期产品,会误以为这是一家造高达的公司。

较为早期的产品定名为Power Loader,致敬电影《异形》同名外骨骼助力设备。穿戴者使用这身套装可以身怀巨力、箭步如飞。它的缺点也很明显,除了丑陋的外形,庞大的体积,还有高昂的造价。完全无法投入商用。

可穿戴助力系统结构复杂,需要对电机、液压等进行精准控制。还需要考虑到一套机械适应不同的体型,从一款原型机衍生开发出商用机型难度颇高。

削减无用功能和对主要器件小型化后,ActiveLink在今年预备退出的量产型则是下面的样子:

它可以辅助搬运15公斤左右的重量,只能在上拉物体时提供助力。但月租费用为415美元,更为实用,可以让建筑、物流等行业的工人拥有更高的效率,还能有效减少工伤。当前已经投放市场,图中就是日本UPR公司的员工使用的场景。

顺带一提的是上面提到的HAL系统的月租价格为850美元左右,比最初面世时已经下降了20%以上。在主要发达国家低于劳动力购买成本,初步达到了商用的条件。

未来机遇

想让钢铁侠尽快走出荧幕,除了技术和成本达标,机遇也很重要。对于推动科技来说,也许最大的机遇是战争需求。

现代战争中单兵携带装备越来越多,美军的战斗负重是28.6公斤,而应急负重则高达60公斤,这还怎么和恐怖分子死磕。洛克希勒马丁公司与美军合作的项目HULC、MANTIS正是要解决这个问题,初期验证已经结束,量产版预计在今年投放前线战场。

值得一提的是该项目延伸的民用版Ekso Bionics连续几年出现在CES上,不过10万美元左右的售价让绝大部分人望而却步。但其CEO估计3年内一定可以把成本降低到合理的水平。

在2015年,数款可穿戴助力系统由实验机走向量产,由概念走向商用。中国也正在逐渐步入老龄化社会,劳动力成本上升,周边局势恶化导致战争风险提升都对可穿戴助力系统形成潜在需求。在2014年的珠海航展上,中国就展示了一款自己研发的动力外骨骼系统。相信中国一定有可穿戴与机器人创业公司,也正在致力于让这样军用技术回馈社会。在未来3年逐步解决技术与制造成本问题,在国际与国内市场上形成竞争力,应对可穿戴助力系统需求爆发的到来。

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