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從鋼骨到鋼鐵俠,人類如何才能真正獲取機械的力量?


腦極體在之前熱映的DC電影《正義聯盟》中,出現了一位較為面生的超級英雄「鋼骨」,這位英雄身上有著大量的機械部件,右手上有聲波炮、左肩里有X、背上有噴射器、連肺都被換成了能在水下呼吸...

- 2018年3月29日14時26分
- 科學文摘 / 腦極體

腦極體

在之前熱映的DC電影《正義聯盟》中,出現了一位較為面生的超級英雄「鋼骨」,這位英雄身上有著大量的機械部件,右手上有聲波炮、左肩里有Xbox、背上有噴射器、連肺都被換成了能在水下呼吸的機械肺。

鋼骨的設定在某種程度上體現了人們對「機械改造人體」這件事的幻想,我們羨慕機械的不知疲倦、力大無窮,駕馭它們已經不能讓我們滿足,非要和機械結合為一體,才能真正獲得它們的力量。


鋼骨從人類變成機械人的原因是因為天啟星母盒意外爆炸,讓他吸收了大量高科技機械裝置。但在漫威宇宙中,鋼鐵俠給了人們一個更實際的方案,把高科技機械做成盔甲,穿在身上。

之所以說這是更為實際的方案,是因為類似的技術已經出現在了我們的生活中,而且還有著很高的商業價值,這種技術的名字叫做「機械外骨骼」。

給人穿上機械甲還是給機器人安上大腦?

所謂機械外骨骼,簡單來說就是一種可穿戴的人體支撐動力支撐裝置。像盔甲一樣,穿戴在身上就能獲得非凡的能力,雖然不能像電影中一樣飛檐走壁、發射炸彈,卻能給人們很多切實的幫助。

在最初的設計中,機械外骨骼最主要的作用就是在軍事上。盔甲一樣的機械外骨骼可以保護士兵,更能為他們提供動力,方便長途跋涉、負載武器、接觸危險設施等等。


到後來,人們發現越來越多的領域都需要這種神奇裝置的支持。比如機械外骨骼可以作為義肢,幫助人們重新獲得運動能力,在進行康復訓練時,機械外骨骼也能支撐著人們做運動。當快遞小哥需要搬運重物時,腰部和手臂上的機械外骨骼可以讓他們輕鬆舉起幾百斤的重量。

隨便動動腦筋,就能想像到無數應用上機械外骨骼的場景。尤其是各種機器人風靡的現在,可以大腦進行決策+手指進行靈活操+機械負責力量是機器人幻想中的夢幻配置,顯然都可以用人+機械外骨骼來解決。

而且講道理,讓人穿上機械外衣,應該比讓機器人長出大腦容易多了也安全了多。

不能變身鋼鐵俠的原因…不僅僅是因為你太窮了

那麼,究竟是什麼阻止了我們從普通人類變身鋼鐵俠呢?從技術角度考慮,還真不少。

最重要的就是在傳感方面。按照設定,機械外骨骼應該是有力量的,如何控制這種力量顯然成了一種問題。像高達那樣用搖杆操控顯然是不太實際的,一套基礎的外骨骼少說要有手腕*2、手肘*2、腳腕*2、膝蓋*2、腰椎*1共計9個關節活動部件,靠人手動操控的話,很可能就需要一個操控另一個。到時候戰場上也許就會存在那種「士兵著急追擊敵人,無奈身後操縱他的玩家不給力」的情況。而且外骨骼移動的力度也不好把控,也許快遞小哥只想讓它幫著舉起重物,卻一個不小心把快遞車都掀翻了。

還有一個難題就是在續航方面。既然是有力量的機械外骨骼,自然需要動力。目前最好的解決方案,就是在機械外骨骼中安置電池。你能想像快遞小哥們為了抬起一件15kg包裹,需要背著一塊15kg的鋰電池嗎?又或者是正在火拚時一方士兵對另一方說「能不能先停下讓我們充個電?」。無法在電池重量和充電頻率、速度間找到平衡,機械外骨骼至今續航能力堪憂。

最重要的還是成本上,要知道一開始機械外骨骼是美國軍方主導研究的,自然造價不菲。靈敏密集的傳感器、又輕又堅實的金屬材料等等,都給機械外骨骼的商業化普及造成了困難。

腦機接口到深度學習,機械外骨骼還能有更多的黑科技

但即使有著這麼多的困難,還是有一些可民用的機械外骨骼出現在我們的視野中。比如日本筑波Cyberdyne公司研發的行動幫助機械外骨骼、福特也為組裝工人配上了上肢機械外骨骼幫助承重。在國內,據稱京東也在研發機械外骨骼,以減少物流工人的腰部壓力。那麼這些研發團隊是如何克服上述問題的?


就拿傳感控制這一點來說,現在已經出現了不少黑科技的解決方法。

人類之所以能靈巧控制身上每一個部件,是因為布滿全身的神經元能把運動信號像電流一樣互相傳導。同樣的道理,在機械中也能實現。在人體上貼上電極,捕捉肌肉動作時發出的信號,解析信號變成指令就能讓機械外骨骼隨著人體的動作移動。

Cyberdyne採用的就是這種方式。更高端的,還有跳過肌電信號直接使用腦電信號控制的。通過腦機接口仿真出一個中樞神經通路環境,識別操作者的運動意圖並進行移動。在2015年巴西世界盃開幕時,就有一位殘疾人小女孩穿著機械外骨骼為比賽開球。不過腦控技術還有很多難點,殘疾人由於生理原因,很難像普通人一樣用大腦下達出明確的動作信號。就像踢球這樣一個簡單的動作,可能都要經過大量的訓練和調整才能實現。

腦洞開的再大一點,為什麼不能把現在機器人傳感技術加入到機械外骨骼中呢?在機械外骨骼中加入陀螺儀和紅外攝像頭,利用SLAM(即時定位與地圖構建)系統識別出環境中物體的位置,配合上陀螺儀對自身的定位就能計算出移動的距離和速度。

又或者把遷移學習應用到機械外骨骼中,在仿真環境中對機械外骨骼進行訓練,讓關節和部件可以更多的進行自動化的移動。等到現實使用中,機械外骨骼只需要解析「從A位置移動到B位置」這樣簡單的信號,而不是「伸出左腳、伸出右腳、再伸出左腳……」這樣複雜的信號了。

當然,以上只是不負責任的隨意聯想。但現實情況是,神經學的發展讓我們更加了解大腦運作的方式、深度學習的發展讓我們更懂得如何模仿大腦運作的方式。兩者結合,讓機械成為人類骨骼這件事變得更加容易。自從2000年美國國防部第一次提出「機械外骨骼」概念並開始立項,至今已經有了相關概念產品上市。或許再下一個十年,我們每個人都能變身成鋼鐵俠。


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