第一部分　梦想

第1章　力量的延伸

不久前，我参加了一场在五角大楼召开的会议。会议开了整整一天，即将结束时，我在儿时对机械腿和机器人鞋的憧憬再度浮现。（我还就人工智能、机器学习和机器人问题向领导者提出了建议，并进行了宣讲。）我虽然很认同虚拟会议的效率，但更喜欢面对面的互动，这是我期盼已久的一天。主办方安排我和同事与各领域的官员开了12场不同主题的会议。五角大楼是世界上最大的低层办公楼，内部走廊长达约17.4英里。国防部认为，人们有可能在8分钟内步行穿越楼内距离最远的两点，但他们必须让健步如飞的人来进行测试。[1]

那天，我们的会议室分散在办公楼的不同区域。我和同事不得不按会议时间表，一路小跑从一个区到另一个区。最后一场会议进行了45分钟，与重要联系人交流了15分钟后，会议终于结束了。我们预订的飞往波士顿的航班还有一个多小时就要起飞了（那是当晚最后的航班）。我们叫的车在离大楼另一端很远的停车场等着我们，我们还得到另一间会议室取行李。

于是，我们跑了起来。

我的同事体格健壮，身轻如燕。我平时健身，每周慢跑一次，每次跑约3英里，但这次是短距离冲刺，我还穿着高跟鞋。对我来说，穿高跟鞋运动不在话下（稍后会详细介绍），但我肩上背着两个包，正忙着拎起另一个手提箱。箱子更沉，连轮子都没有。（如果它有轮子，我可能会添加一个发动机、几个传感器和一些计算单元，将其转换成自动驾驶手提箱，让它跟着我飞奔。）在五角大楼大厅里一路小跑时，我梦想着机器人帮我化解困境。

鞋子是首先要增强的元素。弹性或减震材料能像弹簧一样压缩和储存能量，如果我用它们做材料，在我飞奔时，受压的鞋跟便会膨胀，释放储存的能量，让我的每一步都能弹离地面。我不认为鞋跟产生的力量能让我完成扣篮，或一跃而起，跳得比大厅里行人的肩膀还要高（在五角大楼里这么做也不合时宜），但它可以加大我的步幅，让我更容易跟上高大魁梧的同事。

然而，我真正需要的是一个能帮我携带行李的装备，让我在体力尚存的情况下跑完全程。我需要一个柔性的、可穿戴的全身机器人，它可以穿在外套里面，甚至能兼作商务服。当时我如果穿着它，就可以和同事一起冲刺，不费吹灰之力地到达停车点。而事实是，我们冲出大楼，及时赶到机场，搭上了飞机，但我已经筋疲力尽了。

那天我所想象的机器人类型被称为“外骨骼”。这些可穿戴机器（是的，你可以像穿外套一样穿上一个机器人）配有电动关节，可以增强或提升用户的力量。外骨骼通常被描述为战斗机器，但其日常应用的潜力更令人振奋。我认为，在生活的许多领域，可穿戴机器人都是增强力量和耐力的一种方式。它们当然可以帮助士兵搬运重物，但也可以帮助老年人重获随年龄增长而流逝的力量和体能。

外骨骼可通过电动机、气动装置、液压装置或杠杆来提供动力，它作用于四肢，可增强你的力量或耐力。就人体而言，是肌肉带动骨骼活动。身着可穿戴机器人，电动机可以完成肌肉的部分工作。

机器成为机器人的决定因素是什么？首先要明确的问题是：机器人是什么？以下是我的定义：

机器人是一种可编程的机械设备，它从周围环境中接收输入信息，处理所获取的信息，然后根据输入信息采取物理行动。

我的好友、牛津大学的机器人学家与医学成像权威迈克尔·布雷迪爵士将机器人称作“感知与行动的智能连接”，他喜欢引用机器人和人工智能专家大卫·格罗斯曼的话，称其为“令人惊叹的有生命的机器”。换句话说，机器人是能够遵循并重复以下三个步骤的机器：

（1）感知

（2）思考

（3）行动

也就是说，（1）机器人要能通过摄像头、麦克风、力传感器或其他传感设备收集有关世界的信息；（2）机器人要能处理这些信息，制订计划或做出反应；（3）机器人要能执行行动。运作正常的机器人需同时满足这三个条件。

即使受控于人，外骨骼仍有资格被称为机器人。这些可穿戴机器具有智能和一定程度的独立性。外骨骼的骨架包裹着用户全部或部分身体。骨架里的传感器监控用户的动作，服装里的计算机大脑会决定如何帮助用户。

假设我穿着外骨骼上衣，想要举起哑铃。我开始承重时，外骨骼中的传感器会感受到肌肉的张力，将反馈信息传递给衣服里的处理单元（机器人的大脑）。接着，计算机大脑会制订一个计划，以最优的方法帮我完成任务，并指示外骨骼手臂里的致动器（或人造肌肉）施加所需的推力或拉力。随后，外骨骼要么帮我举起重物，要么承担部分重量，减轻我的肌肉压力。我不必告诉机器人该做什么——机器人会感应我的动作，猜测我想做什么，制订计划并采取行动。

这种“感知-思考-行动”的循环让可穿戴机器成为机器人。

在1959 年的小说《星河战队》中，科幻小说家罗伯特·海因莱因介绍了外骨骼。小说中，士兵身着战甲与外星人作战。几年后，超级英雄钢铁侠首次出现在漫画书中。可穿戴外骨骼的概念在现实世界并未取得长足的进展，却在科幻小说中不断演化。《异形》中西格妮·韦弗饰演的角色所穿的机甲服是电影界的标志性外骨骼，这种外骨骼主要用于工业作业，但她穿着它是为了与致命的怪物搏斗。

外骨骼在科幻小说的世界中不断演化，实际的研究也断断续续地进行着。通用电气开发的哈德曼（Hardiman）是人们开发出的首批现代外骨骼之一。它是20世纪60年代设计的，目标是帮助用户举起1 500磅[2]的重物，但其表现不尽如人意，从未有人穿戴它通过真正的测试。此后，机器人专家转而开发轻量、简洁、造型低调的外骨骼，日本公司赛百达因（Cyberdyne）就是一个例子。有趣的是，该公司以电影《终结者》中的公司名称命名，率先推出了HAL（混合辅助肢体），它是一种协助行走的下半身外骨骼。

尽管钢铁侠的战甲是虚构的，但在过去几十年里，可穿戴机器人领域取得了激动人心的进展。机器人专家开发了HAL等下半身外骨骼和上半身外骨骼，协助工厂或建造业中的举重作业及制造工作。如今，部分外骨骼在康复和物理治疗中发挥着重要作用。约翰·霍尔-勒巴赫在犹他大学创建了一个前沿实验室，探索如何利用机器人帮助脊髓损伤或其他病患重获行走的能力。[3]患者用背带将机器人连到身体上，在机器人骨架的帮助下在定制的跑步机上行走，环绕式屏幕让他们沉浸于虚拟环境中，犹如行走在林间，而不是实验室。同样，在宾夕法尼亚大学医学院米歇尔·约翰逊的康复机器人实验室里，研究人员利用机器人缩短中风患者和其他患者的功能康复进程。[4]哈佛大学的康纳·沃尔什致力于下一代可穿戴软体机器人的开发，以增强或恢复健康人和残疾人的行动能力。[5]在苏黎世联邦理工学院，马可·哈特及其团队开发了一款活动范围非常大的机械臂，来帮助上肢伤残者。[6]康复机器人的例子有很多，这些只是其中的几个。我们在现实世界看到的情况更接近于《复仇者联盟》中罗德上校的故事线。起初，罗德作为超级战士操纵钢铁侠战衣，一次重伤导致他腰部以下瘫痪，这项技术被重新调整，帮助他重新站起来，他穿上了轻便的下半身外骨骼，再次学会了走路。

我们应优先考虑可穿戴机器人的医疗用途，但我更希望看到外骨骼在平凡的日常生活中发挥作用。我父亲年事已高，但生活非常独立。在他84岁那年的5月，他在菜园里劳作，想安装一道防鹿栅栏来保护他种的菜。他制订了计划，材料也准备好了，只是没有体力和耐力安装。于是，他打电话叫我和我丈夫过来帮忙。我们欣然前往，与父母度过了一个愉快的下午。但我了解父亲，他更希望自己亲力亲为，只是心有余而力不足。他如果能穿上一款柔性外骨骼，就能自己完成这项工作。这套衣服不会让他变成钢铁侠或绿巨人，但会赋予他中年时的体力和耐力。栅栏安装好之后，他很可能把我们叫回家炫耀他的劳动成果！

就我个人而言，我希望在不太累的情况下走得更远，跑得更快。工作中，我着重思考的是尚未问世、正在研发的应用，也许它们就在下一个拐角或下一座山头。我希望看到像衣服一样的外骨骼：轻软、柔韧、美观、低调，穿上它不会引起任何人的注意。

这与好莱坞向我们灌输的机器人形象迥然不同。人们认为，可穿戴机器笨重、僵硬、坚固、无法弯曲，移动起来呆板得像跳机器人舞。坚硬的材料确实可以建造更强壮的机器人，但较重的框架以及移动所需的较大的发动机也会消耗更多电力，会在很大程度上限制运行时间。然而，这就是21世纪00年代末外骨骼研究领域的状况——大家都在努力实现科幻小说作家描绘的愿景。

但我们转变了研究方向。如果不去制造笨重而僵硬的服装，而是尝试建造更柔软、高效的可穿戴机器人，就好像它们是为人类量身设计的，结果会怎样？研究人员开始利用硅和导电纤维编织柔性材料，使服装更柔韧、轻便、易穿着。更接近于肌肉的部件取代了金属材料和电动关节，但这些可穿戴机器仍然是机器人。尽管刚度和材料发生了变化，但“感知-思考-行动”的循环仍然适用。区别在于，驱动反馈循环的大部分技术是柔性的。

在我想象的未来中，我们的衣服不只有柔性外骨骼，还能监测肌肉和生命体征，从而增强我们的能力，提醒我们注意健康问题，防止跌倒，等等。例如，衬衫可以变成一个可穿戴听诊器，聆听你器官的声音，在疾病出现之前提醒你潜在的问题。我设想的可穿戴机器人足够轻薄，类似技术升级版的秋衣秋裤。另外，我希望能买到现成的可穿戴产品，就像买到新夹克或牛仔裤一样。

我喜欢购物，我们就从购物开始吧。

想象一家很像特斯拉展厅的商店。

你走进店里，在销售人员的帮助下，通过触摸屏或全息显示器查看各种外骨骼选项。其中一些是下半身柔性机器人，可以帮助你走得更远或跑得更快。还有一些是上半身外骨骼，能增强手臂、背部或胸部的肌肉耐力，甚至帮你训练你最热衷的运动项目。也许你需要一个全身外骨骼，它能协助你的所有活动，从脚延伸到腿和躯干，再到手臂，如果你还需要增强握力，它可以直接延伸到手。

选好型号后，你会进入全身扫描仪，几分钟内便可获得精确的测量结果。测量结果会传送到制造工厂，你的定制外骨骼将由计算纤维编织而成。这些复合纺织品具有导电性，能检测温度、应力（推力或拉力）、声音，甚至特定的生物分子。它们可以发送、接收和存储信息。[7]你如果心血来潮，觉得另一种颜色更能表达你的心情，想将素净的衬衣换成红色，衣服就会变色。如今，这些纤维的其他形式已经问世。我所说的增强版服装中包含传感器、人造肌肉和计算单元，当你活动时，衣服就会根据情况发生改变。这些部件都是由柔性材料制成的，因而你不会像机械战警那样跺着脚走路，也不会像战甲中的钢铁侠那样发出叮叮当当的声音。这样的新装不会马上做好，但你无须等待数月，甚至几周都用不上。在24至48小时内，你就可以回来领取新衣。

我们可以将这次体验想象成去裁缝店做衣服的21世纪版本。

刚开始，你的新装会比较被动。它通过分布在衣服上的传感器收集你的体温、肌肉、骨骼位置、一般运动及其他互动数据。机器学习系统根据这些数据分析出模式，将模式转换为身体运动模型。中央系统可能会在人群中收集数据，因为通常数据越多，产生的模型越好，但你仍可以控制自己的数据和模型，它们存储在具有差分隐私（differential privacy）[8]保障的数据库中。系统对你的行为和健康状况越来越熟悉，衣服的功能也随之增强。

可穿戴机器人可以充当你的监护人。思考一下防抱死制动系统，它可以监控汽车轮胎和道路之间的滑移。可穿戴机器人可以起到类似的作用，利用所学模型以及传感器捕获的身体测量数据，在你处于异常活动状态（例如，即将跌倒）时进行自动调整。可穿戴机器人可以监测哮喘易感者的呼吸，一旦发现哮喘发作的信号就发出警报。可穿戴机器人能够追踪你的肌肉活动，预防或自动助力有背部拉伤风险的动作。服装使用内置、柔软但结实的人造肌肉，可减轻你的负担，承担一些搬运重物的工作。

接下来我想讲讲，可穿戴机器人对我的正手击球有什么用。

我喜欢打网球，但工作越来越忙，练习时间日渐减少，我的水平下降了。可我仍然热衷于这项运动，希望有机会提高球技。我是一名计算机科学家，这并不意味着我在网球运动方面没有好胜心。我希望自己的击球百发百中！运动衫或者全身套装可以充当运动助理或教练。我们必须聘请技术精湛的球员（我想拥有塞雷娜·威廉姆斯那样的击球技巧），在可穿戴机器人的协助下高强度地练习击球。我们需要一个视觉系统来追踪来球路线和旋转方式，以及球员挥拍时网球撞击球拍的方式。该系统可以安装在用户身上，也可以安装在球场某处的独立平台上。当视觉系统追踪网球的飞行路线和撞击时，可穿戴机器人会监控、跟踪网球运动员训练系统的动作。只要击球次数足够多，我们就可以用相关数据创建一个模型，以正确的方式确定腿脚的位置、手臂的摆动幅度以及手腕的转动角度，调整球拍角度，打出完美而精准的回球。我们会创建一个丰富、详细的模型来展示塞雷娜的正手击球。

有了模型，我们就可以将它输入可穿戴机器人，协助业余选手训练。我能想象，练习时，柔性的、可穿戴机器人会推动我完成正确动作——它并没有控制我的挥拍动作，而是使用灵活的小块人造肌肉推高我的手臂，加大我手腕的转动幅度，或者略微调整我球拍的击球位置。我仍需要练习，但是训练效率会更高，效果也更显著，因为我的每次击球都得到了史上最好的网球运动员的指导。最终，我将能够再次打出精准的球，重新找回对这项运动的热爱，实力碾压我的学生（现在他们的击球比我更快、更准）。

可穿戴机器人不会赐予我们超人的力量，我们无法变成绿巨人。截至目前，我主要探讨的是人类力量的弱项，事实上，在某些情况下我们会用力过猛。比如，当工作涉及精致或易碎物体时，可穿戴机器人可以精准调和或削弱我们的力度。更宏大的想法是，智能机器以意想不到的方式强化人类已有的能力，我们可以将其应用于各种场景。比如，在五角大楼开会那天，会议结束后仓促赶飞机时，倘若我身着一套可穿戴机器人，应对起来就会轻松自如。

当把外骨骼穿在普通商务服里面时，我可以选择长及脚踝的衣服，但手套就不需要了。开会时让人冒汗的可穿戴机器人没多大用处，因此材料要配备温度传感器和自动开合的微孔，使其在高温下更透气。当需要跑着搭车赶往机场时，我可以通过嵌入材料的界面或手机启动衣服。更先进的设计是，我一跑起来，衣服就能自动感应。

通常，我们跑步时，大脑和神经系统会协调肌肉纤维的收缩和扩张，从而拉动或放松内骨骼结构的组成部分，也就是我们的骨头。机器人外骨骼不会完全接管这项工作，而会通过遵循熟悉的反馈循环（感知-思考-行动）来减轻一些工作量和体力。哈佛大学的罗布·伍德是我的朋友和合作者，他开发了一种薄型的柔性应变传感器，它们可以管理反馈回路的第一部分。[9]它们比一张活页纸略厚些，只要施加一点儿压力就会转化为电阻。如果将数百个这样的传感器编织在可穿戴机器人中，传感器将测量结果源源不断地传输到中央计算机，即可穿戴机器人的大脑，那么这个人造大脑就能创建并监控可穿戴机器人的压力图。大脑会将传入的数据流与之前构建的模型进行比较，那些模型是我以前跑步和训练时传感器获得的结果。于是，系统得出结论：我开始慢跑了。要如何响应、是否为我提供帮助取决于可穿戴机器人的决策引擎。我们先假设我开始跑步时，衣服会感知到变化并采取行动。

慢跑时，微小的肌纤维束会扩张和收缩，让我的内骨骼动起来。在我感到疲惫之前，衣服会激活人造肌纤维束。随着我的施力，这些人造肌肉可以像真正的肌纤维一样扩张和/或收缩，这会减轻身体的部分压力，让我赶到停车场时，脉搏只是略微加快，几乎不觉得累。也许，穿着这样一套衣服穿越五角大楼时，我会给同事留下深刻的印象。

为了实现这一目标，我们需要开发像上述传感器一样轻薄、柔软且节能的人造肌肉。20世纪90年代和21世纪初，该想法就像钢铁侠的战衣一样虚无缥缈。我们正在尝试开发人造肌肉，它只是辅助我们的肌肉，不必接管所有工作，这项任务较易实现。如果我们的目标是抬起汽车，就需要不同的设计。但如果只想长途搬运行李箱，那么这样的设计是可以做到的。

新型人造肌肉最有前景的设计是折纸技术。日本的折纸艺术属于数学内容丰富的领域，广泛应用于机器人技术。[10]FOAM（受折纸艺术启发的流体人造肌肉）由柔性的硅皮肤组成，它覆盖着类似手风琴的压缩和膨胀材料。[11]空气注入皮肤时，手风琴状的肌纤维及其内部骨骼会膨胀；空气排出时，皮肤和骨骼会收缩到不足原始长度的10%。总的来说，它们产生的强度重量比高达1000∶1。因此，人造肌肉很轻薄，可以叠放在纺织品中，但足够坚固，能协助人体移动。

早期外骨骼的缺陷是传感器和电机过重，可穿戴机器人必须插入电源，因为电池无法长时间维持其运行。在现代外骨骼中，柔性传感器和致动器的重量和功耗可以忽略不计，因而我预计可穿戴机器人不会比普通服装更重。电池也可以很轻。能源收集装置可调用和存储行走或骑行时产生的电力。我们还可以在薄如纸张的太阳能电池上分层。目前，太阳能电池的功率密度较低，无法满足这种可穿戴机器人的需求，但毫无疑问，未来几年情况会得到改善。以前的计算机体积很大，占据整个房间；现在，装在口袋里的设备，处理能力比大容量存储阵列更强。我们会找到一种有效的方法为可穿戴机器人供电。

柔性可穿戴机器人的构想看似不切实际，但它的许多关键部件已经被制造出来了。只是这项技术还不够先进，无法有效利用。薄型传感器和FOAM致动器只是原型，需要将其产品化。我们还可以制造电子纺织品，但电力部门任重道远。我们还要继续开发，赋予服装先进的加密技术和其他安全措施，确保犯罪分子无法侵入。这些都是可解决的问题。力量增强型可穿戴机器人具有广泛的潜在影响，这将使这方面的技术工作和投资更有价值。

柔性外骨骼不仅能帮人们赶上去机场的车，其变体还可以在建筑、农业、文化、体育等需要力量或耐力的应用领域发挥作用。美国政府机构资助外骨骼研究，不是为制造自己的钢铁侠战甲，而是为减轻士兵的负担。士兵在航空母舰或军事基地甲板上要背负重物或移动设备。这类服装也可减轻各行各业劳动者的肌肉和骨骼压力，降低重复性压力损伤及长期负重引发的风险。总部位于波士顿的初创公司Verve让仓库工人穿上可穿戴柔性外骨骼，使得20磅的箱子对工人来说只有十几磅重。[12]

建筑行业有使用外骨骼的需求，它们可以帮助工人举起重物、下蹲和完成重复性高空作业，例如扛着钻头作业，这是一项极其费力的工作。外骨骼可以让这类任务变得更轻松。可穿戴机器人能减轻疲劳，提高工人的工作效率。工业协作机器人的设计和研发旨在使其与人类协同合作，增强人类的力量和能力。事实上，我们已经看到了它们的影响，只不过这一概念尚未广泛应用于工厂之外。

我亲自研究了机器人对工厂工作的潜在影响。[13]一次，我和我的学生去参观制造工厂，看到装配线上的工人在抛光、打磨各种飞机部件。所有精密模制部件都需要打磨光滑。这种工作需要人类的灵巧操作，以及较高水平的决策和判断，这对自主机器人来说太难了，但对从业者来说也不简单。将打磨工具压在部件上时，手和手臂不断振动，可能会让人受伤。柔性机器人手套可以智能消减振动，通过向打磨工具施加必要的力量来减轻压力，从而辅助工人的操作，延长其职业生涯。外骨骼能让体能受限者完成原本无法完成的任务，这在一定程度上让所有人在工作选择方面享有更加平等的权利。

在工厂或仓库之外，力量增强型可穿戴机器人也有很多潜在的应用。为初高中生设计的智能书包可减轻笔记本电脑和教科书带来的负担，降低学生们背痛或受伤的风险。假如可以利用可穿戴机器人，我父亲不仅能自己建造菜园围栏，还能做更多事情。例如，穿上可减轻行走困难的可穿戴机器人，父母就能再次体验我童年时全家长距离徒步、一路欢笑的美好时光。力量增强型可穿戴机器人可以打破肌肉和骨骼老化带来的局限，让老年人感觉自己重返青春。

技术前沿领域还有很多工作要做。当思考人与芯片的关系时，我们不将二者视为对立的力量，而是将二者视为合作伙伴，未来的可能性就展现在眼前，这些机器人就是完美的例子。它们表明，我们如果利用独特的创造力和解决问题的才能，肩负起社会责任，将技术引导到新的方向，甚至将感官扩展到未曾探索的世界，可以取得怎样的成就。

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[1]Claudette Roulo, “10 things you probably didn’t know about the Pentagon”,DOD News,January 13,2019.

[2]1磅=0.453 6千克。——编者注

[3]Sam Chesebrough, Babak Hejrati, and John Hollerbach, “The Treadport:Natural gait on a treadmill,”Human Factors 61,no.5(2019):736-48.

[4]Carol A. Wamsley, Roshan Rai, and Michelle J. Johnson, “High-force haptic rehabilitation robot and motor outcomes in chronic stroke,”International Journal of Clinical Case Studies 3(2017):121.

[5]Louis N. Awad, Pawel Kudzia, Dheepak Arumukhom Revi, Terry D. Ellis, and Conor J. Walsh, “Walking faster and farther with a soft robotic exosuit:Implications for post-stroke gait assistance and rehabilitation,”IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology 1(2020):108-15.

[6]Yves Zimmermann, Alessandro Forino, Robert Riener, and Marco Hutter,“ANYexo:A versatile and dynamic upper-limb rehabilitation robot,”IEEE Robotics and Automation Letters 4,no.4(2019):3649-56.

[7]美国先进功能织物联盟（AFFOA）正在将这些技术商业化，以振兴纺织业。

[8]差分隐私是一种保护个人数据的严密的数学方法。大致而言，它允许中央智能在大数据集里分析和查找模式，但无法判断与某人相关的数据是否包含在该数据集里。因此，在这种情况下，系统可能会收集、查看庞大的总体运动数据，但无法知晓或确定你的运动数据是否包含在该数据集中。差分隐私能让我们在个人隐私不被侵犯的情况下利用大数据集的优势。

[9]Oluwaseun A. Araromi, Moritz A. Graule, Kristen L. Dorsey, Sam Castellanos, Jonathan R. Foster, Wen-Hao Hsu, Arthur E. Passy, et al.,“Ultra-sensitive and resilient compliant strain gauges for soft machines,”Nature 587,no.7833(2020):219-24.

[10]Daniela Rus and Michael T. Tolley, “Design, fabrication and control of origami robots,”Nature Reviews Materials 3,no.6(2018):101-12.

[11]Shuguang Li, Daniel M. Vogt, Daniela Rus, and Robert J. Wood, “Fluid-driven origami-inspired artif icial muscles,”Proceedings of the National Academy of Sciences 114,no.50(2017):13132-37.

[12]Scott Kirsner,“Lightening the load for warehouse workers,”Boston Globe, June 19, 2022.

[13]Thomas Malone, Daniela Rus, and Robert Laubacher, “Artif icial intelligence and the future of work,” report prepared by the MIT Task Force on the Work of the Future, Research Brief 17 (2020): 1-39.