機器與人類的融合，一向吸引著眾多的科研學者和藝術創(chuàng)作者們。大家熟知的鋼鐵俠，他身上的機甲或許領先時代有點多，但是另一部科幻大片《明日邊緣》中，湯姆·克魯斯和士兵們穿著的“外骨骼戰(zhàn)衣”，距離我們現(xiàn)實已經(jīng)并不遙遠。外骨骼設備如今已有許多落地場景，目前其被主要用于三個領域：軍事、醫(yī)療，以及近幾年才興起的工業(yè)領域。

“外骨骼機器人”的概念最早就出自于軍事領域，在 2000 年美國國防部為了增強士兵的體能，提高單兵作戰(zhàn)能力，提出了相關概念。其目的是給穿戴者提供保護，并根據(jù)人的肢體活動來感應、驅(qū)動機械關節(jié)，以便更好地執(zhí)行動作；它能幫助使用者跑得更快、跳得更高、負重能力更強等。

而在醫(yī)療領域，外骨骼主要試圖幫助腿腳不便的老年人及殘障人士，在穿戴后輔助恢復其腿部的行走能力，甚至是幫助癱瘓在床的殘障人士重新站立行走。不過，盡管目前已有一些可穿戴設備能輔助人們更輕松的運動，但算上驅(qū)動馬達和電池等配件，外骨骼整體的重量就會很高，從而成為用戶佩戴的一大障礙。

圖 | 香港中文大學機械與自動化工程學系廖維新教授（來源：香港中文大學）

近日，由香港中文大學機械與自動化工程學系的教授廖維新領導的研究團隊，開發(fā)出一種以輕質(zhì)智能材料為基礎的能量獲取外骨骼，其可在人們行走或跑步的過程中，產(chǎn)生可持續(xù)的電力供應。具體而言，這款外骨骼設備可從人類膝蓋的運動中獲取生物力學的能量，然后將其轉(zhuǎn)化為電力，為可穿戴電子設備（如計步器、健康監(jiān)測器、手環(huán)和 GPS 等）供能。這項研究也發(fā)表在《應用物理學》（Applied Physics Letters）雜志上。

廖維新告訴 DeepTech，其研究團隊是有做外骨骼設備在醫(yī)療領域的應用的，同時也關注到了電池等問題，加上自身過往的研究很多是在振動控制、能量采集等方向，所以就有想法將其逆向化。減震是要化解能量，反過來考慮，就可能創(chuàng)造能量。

圖 | 外骨骼發(fā)電設備（來源：廖維新）

目前，在全球范圍內(nèi)可穿戴設備的研究日趨火熱。從軍事到醫(yī)療，再到各種生活工作等應用場景，外骨骼的應用也在逐漸滲透。

京東和蘇寧的物流就做出過“外骨骼機器人”來為穿戴者腰背部的肌肉提供更高強度的負重能力，以便減緩工作肌群的疲勞速度，降低人在運動過程中的能量消耗，提高工作效率。

反之用外骨骼來發(fā)電的，也有很多科研團隊在進行研發(fā)測試。廖維新表示，目前主要有兩種發(fā)電方式：一種是磁鐵在線圈中，隨著運動而發(fā)電，這個原理是中學物理就會講到的知識，問題是其重量較沉，體積也很難縮小；另一種則是采用壓電材料，如果對其施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差，反之其也會因電場作用而產(chǎn)生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛應用。

和此前的電池相比較，使用壓電材料就會顯得很輕便。而壓電材料也有不同的選擇，壓電陶瓷雖然壓電性強、介電常數(shù)高，但其機械性很差，也很脆，所以不適合用于可穿戴設備。所以廖維新的研究團隊采用了一種輕質(zhì)的 MFC（Macro-Fiber Composite，壓電纖維復合材料），這種材料很軟、可以承受很大的變形量。

圖 |“發(fā)電”過程示意（來源：廖維新）

這款外骨骼發(fā)電設備采用了彎曲梁和曲柄滑塊機構來捕捉人類在走路時的膝蓋運動行為。然后，利用捕捉到的運動行為引發(fā)粘接在彎曲梁上的壓電纖維復合材料變形，利用其壓電效應使人通過膝蓋彎曲和伸展來產(chǎn)生電流。

對于佩戴這種外骨骼設備是否會給人們行走帶來不便，廖維新表示，MFC 材料的優(yōu)勢就是十分輕便。這款外骨骼發(fā)電設備整體重量只有 307 克，這個重量可能比褲子或者鞋的影響還要小。此外，實驗也測試了佩戴這種設備后，使用者在運動后的耗氧量及二氧化碳產(chǎn)生量的具體數(shù)據(jù)，因為二者通常是對人們運動消耗的一個參考指標。

研究團隊分別測試了佩戴者以 4 公里每小時的速度行走，以及在 2 至 6.5 公里每小時的速度范圍內(nèi)運動時的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，佩戴該外骨骼發(fā)電設備和不佩戴時，兩者的數(shù)據(jù)并沒有什么差別，即人的新陳代謝成本并沒有受到佩戴的影響。

圖 | 佩戴者的新陳代謝消耗測試（來源：廖維新）

對于設備的發(fā)電量，廖維新表示論文發(fā)表時的設備輸出功率為 1.6 微瓦特，這并不是很大的電量，所以目前針對的目標都是一些低功耗的隨身硬件設備，比如智能手環(huán)、便攜式健康監(jiān)測儀等，已經(jīng)可以滿足其持續(xù)使用的需求。同時，他們的研究團隊也在持續(xù)地對減輕重量和提高輸出功率兩個方向進行努力，目前的輸出功率相比于論文的研究成果已經(jīng)提高了 4~5 倍。

廖維新對 DeepTech 表示，這種人體動能采集技術有望促進可穿戴設備的發(fā)展，使一些隨身的電子產(chǎn)品實現(xiàn)“自供電”，從而讓使用者擺脫需要經(jīng)常充電的麻煩。同時，他現(xiàn)在正考慮將這項研究投入商業(yè)化，具體是與相關廠家合作，還是以研究團隊自主創(chuàng)業(yè)，尚在計劃中。他認為，目前該設備功能上已比較完善，也并不很復雜，一年時間就可以有實際產(chǎn)品出來。

從成本的角度考慮，他說：“目前實驗室使用的壓電纖維復合材料都是從外面采購的，一片大約是七八百港幣（600~700 元），但如果針對性量產(chǎn)，那么價格應該會降到 100 元左右。

廖維新認為首先和服飾相結(jié)合，會是該外骨骼發(fā)電設備在商業(yè)化上一個較好的切入點。因為操作起來比較容易，就好比在褲子上多加了幾個紐扣一樣。除此之外，在一些特定的場景下，比如登山、野外考察等，佩戴該設備以實現(xiàn) GPS 導航儀的“直供電”對使用者會有較大的幫助。

“當然，這些都需要經(jīng)過市場的試水后，根據(jù)反饋再進一步做研究的設計?！绷尉S新最后對 DeepTech 說道。

來源：MIT科技評論