機(jī)器與人類的融合，一向吸引著眾多的科研學(xué)者和藝術(shù)創(chuàng)作者們。大家熟知的鋼鐵俠，他身上的機(jī)甲或許領(lǐng)先時(shí)代有點(diǎn)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(shí)已經(jīng)并不遙遠(yuǎn)。外骨骼設(shè)備如今已有許多落地場(chǎng)景，目前其被主要用于三個(gè)領(lǐng)域：軍事、醫(yī)療，以及近幾年才興起的工業(yè)領(lǐng)域。

“外骨骼機(jī)器人”的概念最早就出自于軍事領(lǐng)域，在 2000 年美國(guó)國(guó)防部為了增強(qiáng)士兵的體能，提高單兵作戰(zhàn)能力，提出了相關(guān)概念。其目的是給穿戴者提供保護(hù)，并根據(jù)人的肢體活動(dòng)來(lái)感應(yīng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)械關(guān)節(jié)，以便更好地執(zhí)行動(dòng)作；它能幫助使用者跑得更快、跳得更高、負(fù)重能力更強(qiáng)等。

而在醫(yī)療領(lǐng)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(fù)其腿部的行走能力，甚至是幫助癱瘓?jiān)诖驳臍堈先耸恐匦抡玖⑿凶摺２贿^(guò)，盡管目前已有一些可穿戴設(shè)備能輔助人們更輕松的運(yùn)動(dòng)，但算上驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和電池等配件，外骨骼整體的重量就會(huì)很高，從而成為用戶佩戴的一大障礙。

圖 | 香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系廖維新教授（來(lái)源：香港中文大學(xué)）

近日，由香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系的教授廖維新領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出一種以輕質(zhì)智能材料為基礎(chǔ)的能量獲取外骨骼，其可在人們行走或跑步的過(guò)程中，產(chǎn)生可持續(xù)的電力供應(yīng)。具體而言，這款外骨骼設(shè)備可從人類膝蓋的運(yùn)動(dòng)中獲取生物力學(xué)的能量，然后將其轉(zhuǎn)化為電力，為可穿戴電子設(shè)備（如計(jì)步器、健康監(jiān)測(cè)器、手環(huán)和 GPS 等）供能。這項(xiàng)研究也發(fā)表在《應(yīng)用物理學(xué)》（Applied Physics Letters）雜志上。

廖維新告訴 DeepTech，其研究團(tuán)隊(duì)是有做外骨骼設(shè)備在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用的，同時(shí)也關(guān)注到了電池等問(wèn)題，加上自身過(guò)往的研究很多是在振動(dòng)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(guò)來(lái)考慮，就可能創(chuàng)造能量。

圖 | 外骨骼發(fā)電設(shè)備（來(lái)源：廖維新）

目前，在全球范圍內(nèi)可穿戴設(shè)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(yīng)用場(chǎng)景，外骨骼的應(yīng)用也在逐漸滲透。

京東和蘇寧的物流就做出過(guò)“外骨骼機(jī)器人”來(lái)為穿戴者腰背部的肌肉提供更高強(qiáng)度的負(fù)重能力，以便減緩工作肌群的疲勞速度，降低人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量消耗，提高工作效率。

反之用外骨骼來(lái)發(fā)電的，也有很多科研團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行研發(fā)測(cè)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(yùn)動(dòng)而發(fā)電，這個(gè)原理是中學(xué)物理就會(huì)講到的知識(shí)，問(wèn)題是其重量較沉，體積也很難縮??；另一種則是采用壓電材料，如果對(duì)其施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差，反之其也會(huì)因電場(chǎng)作用而產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛應(yīng)用。

和此前的電池相比較，使用壓電材料就會(huì)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(qiáng)、介電常數(shù)高，但其機(jī)械性很差，也很脆，所以不適合用于可穿戴設(shè)備。所以廖維新的研究團(tuán)隊(duì)采用了一種輕質(zhì)的 MFC（Macro-Fiber Composite，壓電纖維復(fù)合材料），這種材料很軟、可以承受很大的變形量。

圖 |“發(fā)電”過(guò)程示意（來(lái)源：廖維新）

這款外骨骼發(fā)電設(shè)備采用了彎曲梁和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)捕捉人類在走路時(shí)的膝蓋運(yùn)動(dòng)行為。然后，利用捕捉到的運(yùn)動(dòng)行為引發(fā)粘接在彎曲梁上的壓電纖維復(fù)合材料變形，利用其壓電效應(yīng)使人通過(guò)膝蓋彎曲和伸展來(lái)產(chǎn)生電流。

對(duì)于佩戴這種外骨骼設(shè)備是否會(huì)給人們行走帶來(lái)不便，廖維新表示，MFC 材料的優(yōu)勢(shì)就是十分輕便。這款外骨骼發(fā)電設(shè)備整體重量只有 307 克，這個(gè)重量可能比褲子或者鞋的影響還要小。此外，實(shí)驗(yàn)也測(cè)試了佩戴這種設(shè)備后，使用者在運(yùn)動(dòng)后的耗氧量及二氧化碳產(chǎn)生量的具體數(shù)據(jù)，因?yàn)槎咄ǔＪ菍?duì)人們運(yùn)動(dòng)消耗的一個(gè)參考指標(biāo)。

研究團(tuán)隊(duì)分別測(cè)試了佩戴者以 4 公里每小時(shí)的速度行走，以及在 2 至 6.5 公里每小時(shí)的速度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，佩戴該外骨骼發(fā)電設(shè)備和不佩戴時(shí)，兩者的數(shù)據(jù)并沒(méi)有什么差別，即人的新陳代謝成本并沒(méi)有受到佩戴的影響。

圖 | 佩戴者的新陳代謝消耗測(cè)試（來(lái)源：廖維新）

對(duì)于設(shè)備的發(fā)電量，廖維新表示論文發(fā)表時(shí)的設(shè)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(duì)的目標(biāo)都是一些低功耗的隨身硬件設(shè)備，比如智能手環(huán)、便攜式健康監(jiān)測(cè)儀等，已經(jīng)可以滿足其持續(xù)使用的需求。同時(shí)，他們的研究團(tuán)隊(duì)也在持續(xù)地對(duì)減輕重量和提高輸出功率兩個(gè)方向進(jìn)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(duì) DeepTech 表示，這種人體動(dòng)能采集技術(shù)有望促進(jìn)可穿戴設(shè)備的發(fā)展，使一些隨身的電子產(chǎn)品實(shí)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(shí)，他現(xiàn)在正考慮將這項(xiàng)研究投入商業(yè)化，具體是與相關(guān)廠家合作，還是以研究團(tuán)隊(duì)自主創(chuàng)業(yè)，尚在計(jì)劃中。他認(rèn)為，目前該設(shè)備功能上已比較完善，也并不很復(fù)雜，一年時(shí)間就可以有實(shí)際產(chǎn)品出來(lái)。

從成本的角度考慮，他說(shuō)：“目前實(shí)驗(yàn)室使用的壓電纖維復(fù)合材料都是從外面采購(gòu)的，一片大約是七八百港幣（600~700 元），但如果針對(duì)性量產(chǎn)，那么價(jià)格應(yīng)該會(huì)降到 100 元左右。

廖維新認(rèn)為首先和服飾相結(jié)合，會(huì)是該外骨骼發(fā)電設(shè)備在商業(yè)化上一個(gè)較好的切入點(diǎn)。因?yàn)椴僮髌饋?lái)比較容易，就好比在褲子上多加了幾個(gè)紐扣一樣。除此之外，在一些特定的場(chǎng)景下，比如登山、野外考察等，佩戴該設(shè)備以實(shí)現(xiàn) GPS 導(dǎo)航儀的“直供電”對(duì)使用者會(huì)有較大的幫助。

“當(dāng)然，這些都需要經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的試水后，根據(jù)反饋再進(jìn)一步做研究的設(shè)計(jì)。”廖維新最后對(duì) DeepTech 說(shuō)道。

來(lái)源：MIT科技評(píng)論