权力着装:工作时的外骨骼

50多年前，通用电气工程师和机器人先驱Ralph Mosher在1967年美国底特律汽车工程大会上发表了一篇突破性的技术论文，概述了他对外骨骼使用和发展的愿景。

他写道:“人与机器可以结合成一个亲密的共生单元，本质上就像一个结合的系统。”“人类的适应性、反射性控制可以直接传递到一种机制，因此该机制的反应就好像它是人类的自然延伸一样. ...。此外，通常对人类不利的环境不会影响机器。”

在当时，这是一个崇高的愿景，但Mosher努力实现了这个愿景。“Mosher是外骨骼最早的先驱之一，与美国武装部队一起工作，使机器更接近人体，”克里斯·亨特解释说，他是纽约创新与科学博物馆收藏和展览的副总裁。“他们共同开发了‘Hardiman’——一种由两套套装组成的外骨骼，一套主服控制着用户也穿着的从服。”

这套奴隶服由液压和电力驱动，将穿着者的力量放大了25倍，因此举起110公斤的重量感觉就像举起4.5公斤。然而，不幸的是，宇航服本身重达680公斤，反应时间慢得令人难以置信，它的行走速度也是如此。此外，据报道，当双腿同时移动时，虫子会导致“机器产生暴力和不可控的运动”。因此，当这些挑战在1971年结束哈德曼项目时，并不令人意外。

自从这些早期的进步以来，已经发生了很多变化。“生物力学、假肢、机器人和控制系统、人机界面、末端执行器、机电子系统和电源管理等领域的创新出现了爆炸式增长，”美国科技公司Sarcos robotics的首席产品官克里斯蒂•马丁代尔(Kristi Martindale)解释说。随着时间的推移，这些发展已经使外骨骼技术具有了商业可行性。”

跨国专业服务公司埃森哲(Accenture)的高级董事总经理兼技术创新主管马克·卡雷尔-比利德(Marc Carrel-Billiard)补充说:“外骨骼也变得更轻、更高效，能够更接近地模仿人类的步态等运动。”“这使得它们比以往任何时候都更安全、更实用。”

因此，近年来，新的外骨骼公司层出不穷。总部位于加州的Ekso Bionics公司副总裁迈克尔·普拉特解释说:“我们从一开始就参与了这项研究，但如今全球有超过80家外骨骼公司都在试图用外骨骼解决复杂的人体因素。”

这种全球努力有望带来真正的市场增长。ABI Research预测，到2025年，机器人外骨骼市场将达到18亿美元，高于2014年的6800万美元。到2030年，这一数字将增至115亿美元，而全身驱动的工业外骨骼将占到这一数字的近50%。马丁代尔说:“这些数字非常可观，确实凸显了外骨骼的市场机会之大。”

“外骨骼为工人提供了更多的力量、敏捷性和耐力，还可以让他们举起重物，减少人员的整体负荷。”

伴随着这种增长，将出现扩展的用例，特别是在建筑和制造业等行业，在这些行业中，员工会搬运和转移重物，并以重复的方式移动。

“在美国，背部受伤目前是导致旷工的第二大常见原因，每年造成的经济影响估计高达1000亿美元，”卡雷尔-台球说。“外骨骼为工人提供了更多的力量、灵活性和耐力，并允许他们举起重物，减少人员的整体负荷。与此同时，被动外骨骼——那些不需要外部动力的——是一种降低身体压力的划算的选择，可以为数千名员工提供。”

喜利得北欧地区产品经理萨斯基亚•杜赫(Saskia Duch)补充道:“在建筑工地工作是一项体力消耗很高的工作。”“工人们一天中要完成的许多任务都可能对他们的舒适、健康和安全产生负面影响。外骨骼系统提供适当水平的支持，以更舒适地执行这些应用程序，减少疲劳，防止其他工作受到阻碍。外骨骼的设计还可以承受存在灰尘的环境，这是保持工作场所生产和安全的重要因素。”

正是在这些情况下，几家公司取得了真正的进展。例如，Noonee的无椅椅可以支持用户长时间蹲伏或站在同一姿势。

Noonee的发言人Katrin Hoffmann解释说:“无椅椅2.0现在是第三代产品，我们一直在与知名汽车制造商合作开发。”“这种外骨骼可以转移由脚承载的64%的体重，并减轻背部的压力。这就是无椅椅的特别之处。上半身的外骨骼支持力量方面，但外骨骼的额外重量必须由身体承担。另一方面，无椅椅通过外骨骼的腿将大部分重量转移到地面上。”

与此同时，Hilti的解决方案专注于开销应用程序。杜赫解释说:“Exoskeleton是喜利得产品系列的一个独特的补充，为客户提供了下一个层次的支持，以减少在开销应用程序中工作引起的疲劳和疼痛。”“它的设计在支撑力、移动自由和舒适度方面达到了恰当的平衡，因此顾客可以一整天都穿着它。”

杜赫说，喜利得系统提高了工作效率，因为它使工人能够以较少的痛苦和疲劳完成艰巨的任务。她说:“该系统在作业时产生支撑手臂的力量，减少了肩关节的负荷，降低了在定期进行高空作业时经常发生的肩关节损伤风险。”“再加上我们的车队管理、直销队伍和数字服务，你就拥有了独一无二的产品。”

总部位于加州的Levitate Technologies公司也开发了一种上半身外骨骼——该公司营销和业务发展副总裁约瑟夫·扎维德(Joseph Zawaideh)说，这种外骨骼足够低调、足够轻、足够功能化、足够透气，最终用户可以每天佩戴。他解释说:“这种实用性使它易于使用，从而导致更多终端用户采用它。”“这是唯一一种被世界级制造商列为个人防护装备(PPE)的上半身外骨骼。”

Ekso Bionics的EVO工业外骨骼允许用户能够举起和握住电动工具，就好像它们根本不重一样。“我们的第二代工业外骨骼，EVO，有新的设计原则，以增强工业运动员的能力，并支持他们的日常工作，”普拉特说。“EVO是基于在现实应用中的丰富经验开发的。说到上半身外骨骼，EVO具有独特的轻便、灵活和耐用性。EVO的新颖设计跟踪身体的自然运动，允许不受限制的运动范围，以最佳支持佩戴者，同时提高他们的耐力。”

虽然这些解决方案都令人印象深刻，但目前市场上只有一款电池驱动的全身外骨骼能够成功地将Rosher早期的愿景转化为现实，那就是Sarcos Robotics公司的Guardian XO。

经过20年的研发，Guardian XO使用了超过125个机器人集成传感器来检测环境条件和操作人员的移动。衣服的重量以及它的有效载荷通过衣服的结构转移到地面，结果是工人所承受的重量的100%和衣服本身的重量都被卸下。这意味着操作人员可以穿着宇航服进行数小时的体力劳动，重复举起和操作重物，而不会对他或她的身体造成任何劳损或伤害。

Martindale解释说:“Guardian XO旨在解决非结构化环境中的挑战性工作。“为此，它可以举起200磅(90公斤)的重量。它正处于开发的最后阶段。”

这些解决方案的深度和广度并没有被忽视——事实上，一些世界上最大的工业公司已经意识到这些外骨骼解决方案的好处。例如，据报道，宝马集团在德国的汽车生产工厂正在使用Ekso Bionics和Noonee的解决方案。Levitate的解决方案消除了丰田汽车制造北美公司某些高空工作的伤害和工人补偿成本。

德国汽车制造商奥迪正在其生产车间使用无椅椅。与此同时，在一个成功的试点项目之后，福特将Ekso Bionics的第一代可穿戴外骨骼EksoVest添加到7个国家的15个组装工厂。英国最大的承包商之一Willmott Dixon已经在全国的几个建筑工地试用了EksoVest作为解决方案。

普拉特说:“值得赞扬的是，许多工业雇主现在都在重复性体力工作的限制下寻求符合人体工程学的解决方案。”“第一产业是制造业、汽车、食品加工和建筑业。我们的客户正在使用我们的外骨骼解决方案来推动可预测的性能和生产力。

“除此之外，我们的客户还受益于人才的招聘和留住、旷工成本的降低、员工参与度的提高，以及员工在日常工作中感受到保护和支持的更高水平的士气。”

与此同时，为了加快其产品的商业化，Sarcos机器人公司成立了外骨骼技术咨询小组，该小组包括工业制造、汽车、航空、航空航天、建筑、石油和天然气以及公用事业等领域的公司，包括柏克德、卡特彼勒、德尔塔、通用电气和斯伦贝谢等。自2018年3月以来，这些公司一直与Sarcos合作，确定关键性能和安全要求。

达美航空公司是第一家一线员工直接与Sarcos公司合作确定Guardian XO潜在操作用途的公司。Martindale说:“2020年1月，我们宣布与达美合作，并在2020年消费电子展上首次公开演示XO。”“达美航空宣布试用XO，让一线员工完成行李处理任务。”

考虑到这些进步，我们很容易对外骨骼目前的应用感到兴奋——专家们也认为未来会更令人兴奋。

“在未来，外骨骼还可以作为连接设备，提供一定程度的可追溯性——提供任务完成之外的洞察，以及任务如何完成的细节，”卡雷尔-台球说。“更重要的是，随着消费化，我们可以期待更多的外骨骼支持更多领域的日常活动。在工业领域之外，我们已经看到了培训、康复甚至娱乐的新用例，并预计随着技术的进步，未来会看到更多的应用。”

扎维德希望外骨骼能成为标准的个人防护装备，就像安全眼镜、安全鞋和防摔套一样。他说:“我们预计外骨骼将被许多行业强制使用，我们也预计它们最终会在家得宝(Home Depot)这样的大卖场中提供给消费者。”

霍夫曼对此表示赞同:“工作场所的人体工程学主题正变得越来越重要，许多公司已经很好地实施了这一主题。”“这就是为什么在未来，外骨骼将成为工作世界不可或缺的一部分。事实上，一旦你体验了外骨骼的优势，就没有回头路了。”