智东西(公众号:zhidxcom)
文 | 轩窗

要说机器人研究哪家强,哈佛的机器人研究绝对首屈一指,无论是仅有86克的微型机器人RoboBee,还是靠着体内化学反应自驱动的软体章鱼机器人,哈佛的机器人研究脑洞大的总能让你惊叹,原来机器人还可以这样!

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就在上个月,哈佛又推出了今年的明星产品——Warrior Web(勇士机器软甲),这款机器人是美国国防部先进研究项目局(DARPA)早期支持的项目,它非常的轻便,通过为传递者提供下肢肌肉平行助力来增强其运动机能,降低在崎岖地形行军的疲劳损耗并提高行军速度。而这种可穿戴、为人类提供助力的机器人在学术上有个十分形象的称呼——外骨骼机器人。

作为机器人领域的一个分支,外骨骼机器人的研究从1960年开始从未间断,而这项技术不仅可使人类拥有大力水手、钢铁侠般的超能力,更是帮助残疾甚至瘫痪人士重新站立行走。如果说2018年机器人市场的规模将达1031亿美元之高,那么外骨骼机器人则是定这千亿市场不得不提的一个领域。

纵观全球的外骨骼机器人研究情况,由于只是一个概念性的定义,外骨骼机器人产品的形态各异,当然也出现了不少堪称奇葩的产品。目前外骨骼机器人市场玩家虽形成增强型和康复型两大阵营,但市场表现却不温不火。是什么限制了外骨骼机器人市场的发展,入位的各位玩家未来又该如何拓展市场呢?

一、半个多世纪的难题:意图获取

外骨骼原指为生物提供保护和支持的坚硬外部结构,比如蟑螂、甲虫等硬壳昆虫或虾、蟹之类的甲壳类动物。人类、鸟类等具有皮毛的动物则都属于内骨骼结构。而在外骨骼基础上加上机器人的概念则意味着,它可自主移动。

外骨骼机器人也称可穿戴机器人,融合传感、控制、信息、融合、移动计算等技术于一身,涉及拟人化机械结构设计、驱动系统选择、能源问题及控制系统原理等关键技术。

与服务机器人、教育机器人等不同的是,外骨骼机器人需要与人体接触,通过传感器收集人体意图,进行机械反馈,而如何准确获得人体的意图,也正是外骨骼机器人研发的难点,而如今人工智能技术的发展,将有望解决这一开发难题。

与水下机器人类似,外骨骼机器人的最初研究也是在军用领域。早在上世纪60年代,美国军方便率先开展了外骨骼机器人的研究,目的是设计增强型军用装甲,同期康奈尔大学也开展了外骨骼机器人的研究,至今已有半个多世纪了。早期的一批研究机构还包括,知名院校如MIT、加州伯克利分校、密西根州大学等。

美国和日本在外骨骼机器人的研究上起步较早,研究成果和专利也更为丰富。尤其在动力系统方面,不仅出现了电力驱动、液压驱动甚至是气动等多种方案。这三种方案适用于不同的产品,也各有优势,电力驱动的机器人的动力更强劲,但人体负重较大,而液压驱动和气动的机器人则较为轻便。

而中国的外骨骼机器人目前仍以学术研究为主,中科院、电子科技大学、北航等都在开展外骨骼机器人的研究。除了学术研究外,部分院校还开始探索“产学研”的模式,如依托于北航的大艾机器人、东南大学与科远股份的合作研究等。

二、市场“鱼龙混杂”

在市场方向上,外骨骼机器人的玩家主要战队两大阵营:增强型、康复型。增强型主要在于军事和工业用途上,康复型主要应用于医疗领域,帮助行动不便者重获行走能力。

我们整理了国内外的外骨骼机器人玩家,发现松下、Festo等大公司已经入局外骨骼机器人的研发,同时,美国、加拿大、中国也出现了不少创企,并推出了多款产品。

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1、增强型外骨骼机器人公司

增强型外骨骼机器人公司主要在美国和日本。成立于2000年的日本Tmsuk公司在2004年推出了被称为“超级救援机器人”的T52Enryu液压驱动机器人,这款机器人重大达5吨,身高达3米,在长冈技术科学大学的测试中,T52Enryu举起了一辆汽车。这款机器人对于位于环太平洋地震带上,对于地震频发的日本来说,在救援和现场清理有很大帮助。

在外骨骼机器人大推力的竞赛上,美国老牌工业企业Sarcos Robotic动作更加频繁,这家公司在2002年开始转战路线,开发商业机器人,并相继推出了Guardian XOS系列,S系列等多款外骨骼产品,涉足军工、航空、航海以及安全等多个领域。Sarcos的外骨骼机器人主要具备三大特点:通过操作者的反应和直觉来控制机器人、利用传感反馈使操作者可看见、听见或感觉到机器人的感官、随身携带电源可支持数小时紧急自主操作。

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(军用外骨骼机器人HULC)

世界上最大的国防承包商Lockheed Martin与Berkeley Bionics合作并研发出军用外骨骼机器人HULC。这一设备的体积并不大,可轻松放入拉杆箱中,而穿戴起来也十分方面,只需将脚踩在托盘上,固定好大腿、腰部和肩部的系带,HULC就可通过传感器获得行动者的意图,并驱动液压组建做出相应动作,保证设备的动作与穿戴者一致。

2、国际三大主流康复型企业

目前市场上做康复型外骨骼机器人的公司较多,而我们的统计不包括大型医疗康复设备,仅仅指的是可穿戴并可进行自由活动的外骨骼机器人,在这些机器人中由以下肢辅助机器人为主,主要面向瘫痪、中风、衰老所导致的行动不便。

以色列的Rewalk、日本的Cyberdyne、以及美国的Ekso ,以及成为这一领域的三大主流公司。以色列的Rewalk成立于2001年,现已推出两款外骨骼机器人产品Rewalk Personal和Rewalk Rehabilitiation。前者适合在家庭、工作等社交环境使用,后者则主要针对临床修复,为患者提供物理治疗方式。

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(Cyberdyne创始人山海嘉之与外骨骼机器人HAL)

2004年,在日本政府的资助下,日本筑波大学教授山海嘉之成立了Cyberdyne公司,次年便在爱知世博会上推出其旗舰产品HAL(Hybrid Assistive Llimb,即混合辅助假肢),并凭借这一系列机器成为日本最著名的机器人公司。HAL重达23公斤,由充电电池驱动,续航时间接近2小时40分钟,它可以通过运动神经元获取大脑的神经信号,它最神奇之处在于可探测到皮肤表面非常微弱的信号,之后通过动力装置控制肌肉和骨骼的移动。在HAL的帮助下佩戴者不仅可以进行正常的日常生活,还可以完成站立、步行、攀爬、抓握、举重物等高难度动作。

20世纪末UC Berkeley也开始了外骨骼机器人的研究,并研发出可通过控制杆进行操作的电力增力型外骨骼机械手。2005年作为UC Berkeley机器人和人体工程学实验室的研究分支的Berkeley Bionics成立了,2009年与Lockheed Martin共同利用HULC技术开发出智能仿生外骨骼“eLEGS”,帮助残障人士回复站立和走路功能。

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(Ekso公司的康复型外骨骼机器人Ekso GT)

两年后,该公司更名为Ekso Bionics,也就是康复型外骨骼机器人三大主流公司之一。在公司更名的同时,其产品eLEGS也更名为Ekso GT,2016年这一产品获得了FDA的认证,成为首个获得FDA许可的用于中风及偏瘫患者的外骨骼设备。这一产品的手机高达10万美元,如此高昂的价格也自有道理,它包含FirstStep(康复治疗师辅助进行)、ActiveStep(用户自主控制模式) 和ProStep(自动感应用户身体动作触发每一步)三种行走模式,目前在全球179多个康复中心使用。去年该公司还推出了Smart Assist 和 Ekso Pulse 两款辅助软件,前者可为医生和理疗师提供最新的治疗方案,Ekso后者则可在线衡量病人康复进展情况。

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3、国内玩家近年初现

中国在外骨骼机器人上的研究始于2000年左右,而在市场方面,我国也有有一些上市公司和创企在做相关研究,并推出几款针对下肢恢复功能的外骨骼机器人,但目前为止还没有一家公司获得CFDA的认证,商业进展也处于初步阶段。

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(傅立叶智能外骨骼机器人Fourier X1)

近日,国内外骨骼机器人创企傅立叶智能宣布完成了3000万的A轮融资。这家已19世纪伟大的数学家名字命名的的公司,成立于2015年,目前已推出了两款产品上肢力反馈运动控制系统Fourier M2以及下肢外骨骼机器Fourier X1。

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(左为Ailegs艾动,右为Aiwalker艾康)

无独有偶,就在春节前,北京的一家外骨骼机器人公司大艾机器人也传出了融资消息,而这家公司则是外骨骼机器人领域产学研的代表。这家公司的研究团队全部来自于清华、北航等知名高校,其董事长帅梅还是北航机电系的副教授。目前,他们已经推出了两款产品,其中Ailegs艾动主打下肢损伤中后期康复训练,而Aiwalker艾康则配有移动台架,供早期康复患者使用。

除了这两家最近活的融资的公司外,位于杭州的尖叫科技也推出了名为Scream One的实时人体交互步态移动外骨骼机器人。

多数的外骨骼机器人都是采用刚性驱动,而深圳的迈步机器人在去年年末推出的BEAR H1则采用了柔性驱动器作为输出,不仅提高了力控制时的稳定性和精度,还降低了设备与使用者间的摩擦,提升了使用的安全性也节省了设备的能量消耗。同时,BEAR H1的价格仅为国外同类产品的一半甚至三分之一。而值得一提的是,这家成立于2016年的创企,其联合创始人陈功、叶晶均为投身创业大潮的海归博士。

此外,国内还有尖叫科技、峰湃科技以及程天科技等初创公司。而在美国和加拿大也出现了Superflex、SuitX、Tréxō Robotic等外骨骼机器人初创企业。虽然目前各家的产品已初具形态,但在技术和用户体验上尚有很大的提升空间。

三、市场为啥不温不火?

外骨骼机器人最成熟的应用领域是在医疗康复,而在医疗康复领域则存在两大痛点问题,一是在康复领域主要采用人工进行一对一的训练,在治疗案例以及数据上也十分欠缺,这就导致康复领域尚未有标准化的流程,加之国内专业的康复师极其缺乏,医院的治疗效率有待提高。二是即便是在医院训练过的患者,有些在训练后还会有后遗症,这将使其在生活中遇到走路不便等障碍。

在使用外骨骼机器人进行训练时,医生为外骨骼机器人设置参数,接下来就由外骨骼机器人带领患者进行一步一步的重复性训练。与一对一治疗相比,在外骨骼机器人的帮助下,一个医生可实现一对十,甚至是一对二十的效果,效率也极大的提升了。

目前,国内的外骨骼市场没有发展起来的原因,最大的绊脚石依然是技术本身。首先,我们前面也提到对人体意图的收集是最难的点,其次,由于两足行走是非常复杂的,而把人放在机器里也有极大的安全风险的,因此国内的医疗器械是需要通过CFDA认证才可上市销售的。此外,除了受控制最严格的环境,而这些外骨骼机器人仅能因对一些特定情况,对于更多的情况则束手无措。

结语:外骨骼市场亟待挖掘

据调查显示,目前我国的康复医院中民营的比例已达到58.1%,相对于公立医疗机构壁垒高、建设费用高等问题,民营医疗机构的采购周期短、更注重性价比,这将为国产外骨骼机器人提供市场机会。

无论是增强型还是康复型外骨骼机器人,都将是实实在在解决人类生活中的问题,市场的存在就决定了外骨骼机器人技术存在的必要。而目前外骨骼机器人市场的技术、资金、人才等都不充足,还有待开发。


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