从钢铁侠到现实：外骨骼机器人如何重塑人类？

外骨骼机器人在众多令人热血沸腾的科幻电影里常常出现，它们通常会赋予角色超乎想象的力量与能力，让观众们在大荧幕前感受到科技与想象碰撞出的绚烂火花，提前看到这项科技会带来的无限可能。

例如《钢铁侠（Ironman）》中托尼·斯塔克的战甲让他成为了名副其实的钢铁侠，电影《流浪地球》中的动力装甲为人类在极端环境下的生存和工作提供了强大的支持，又比如《异形2（Aliens）》中，女主蕾普莉（Ellen Ripley）借助一种称为 “动力装载机” 的独特外骨骼装置，与凶猛的怪物展开殊死搏斗。

电影《异形2（Aliens）》剧照

这些影片中的外骨骼机器人形态各异、功能强大，让人类通过机械装置增强了体力与能力，突破了生理局限。而如今，外骨骼机器人不再是虚构的科技，它正在成为改变人类生活的现实工具。

游客攀登泰山的肯綮科技VICX外骨骼机器人

比如，在2025年春节期间投入泰山景区试用的肯綮科技VICX外骨骼机器人，自重仅1.8公斤，借助先进的人体工学设计以及动力、电子和AI算法等核心技术，能感知穿戴者下肢运动趋势并精准助力，一次充电可持续行走超5小时、行程约14公里 ，让游客爬山更轻松。

傲鲨智能在该领域也成果显著，2024年7月推出结合外骨骼技术与人工智(zhì)能(néng)的(de) “启(qǐ)元(yuán) TR1”机(jī)器(qì)人(rén)，还(hái)推(tuī)出(chū)多(duō)款(kuǎn)如(rú)PES - U 储(chǔ)能(néng)上(shàng)肢(zhī)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)等(děng) “千(qiān)元(yuán)级(jí)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)” 产(chǎn)品(pǐn)，已(yǐ)拓(tà)展(zhǎn)至(zhì) 17个(gè)国(guó)家(jiā)地(de)区(qū)市(shì)场(chǎng)。

此(cǐ)外(wài)，傅(fu)利(lì)叶(yè)智(zhì)能(néng)在(zài)康(kāng)复(fù)外(wài)骨(gǔ)骼机器人领域持续发力，其产品能帮助肢体运动障碍患者康复训练，提升生活质量；北京理工大学研发的军用外骨骼可帮助士兵减轻负重、提升作战效能；上海大学则在人机交互技术上(shàng)实(shí)现(xiàn)突(tū)破(pò)，使(shǐ)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)人(rén)机(jī)协(xié)作(zuò)更(gèng)自(zì)然(rán)流(liú)畅(chàng)。这(zhè)些(xiē)进(jìn)展(zhǎn)都(dōu)在(zài)不(bù)断(duàn)推(tuī)动(dòng)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)技(jì)术(shù)迈(mài)向(xiàng)新(xīn)高(gāo)度(dù)，拓(tà)展(zhǎn)其(qí)应(yīng)用(yòng)边(biān)界(jiè)。

01

什(shén)么(me)是(shì)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)？

外(wài)骨(gǔ)骼（Exoskeleton）一词源于生物学中昆虫和壳类动物的坚硬外壳，主要为昆虫和壳类动物提供保护、补足与支撑，从而增强它们的运动、防护和适应环境的能力。

左为昆虫的外骨骼结构，右为外骨骼机器人。

外骨骼机器人（Powered Exoskeleton）是一种穿戴式的可移动机械装置，通过电机、传感器、控制系统等技术协作，增强或恢复人体的运动能力。

这种机器人的出现，解决了传统助力工具无法实现精准控制的问(wèn)题(tí)，使(shǐ)得(de)外骨骼机器人不仅能增强体力，还能精确地配合使用者的自然动(dòng)作(zuò)。

**外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)发(fā)展(zhǎn)并(bìng)非(fēi)一(yī)蹴(cù)而(ér)就(jiù)，其(qí)起(qǐ)源(yuán)可(kě)以(yǐ)追(zhuī)溯(sù)到(dào)十(shí)八(bā)世(shì)纪(jì)。**早期的外骨骼雏形结构相对简单，主要采用了较为笨重的金属框架和简单的机械传动装置，虽然能够提供一定的力量辅助，但由于技术限制，存在着诸多问题(tí)。

已(yǐ)知(zhī)最(zuì)早(zǎo)的(de)类似外骨骼的装置是由俄罗斯工程师尼古拉斯·亚根（Nicholas Yagin） 于1890年开发的一种辅助运动装置。它使用储存在压缩气袋中的能量来协助移动，但仍需要额外人力来(lái)保(bǎo)持(chí)运(yùn)动(dòng)。

Hardiman装(zhuāng)甲(jiǎ)

**到(dào)二(èr)十(shí)世(shì)纪(jì)六(liù)十(shí)年(nián)代(dài)，第(dì)一(yī)台(tái)真(zhēn)正(zhèng)与(yǔ)人(rén)类(lèi)运(yùn)动(dòng)相(xiāng)结(jié)合(hé)的(de)“移(yí)动(dòng)机(jī)器(qì)”出(chū)现(xiàn)——Hardiman装(zhuāng)甲(jiǎ)。**该(gāi)装(zhuāng)甲(jiǎ)是(shì)由(yóu)通(tōng)用(yòng)电(diàn)气（General Electric）和美国武装部队（US Armed Forces）共同开发，主要动力是由液压和电力，并且存在力量反馈系统，让使用者可以感受到力与物体之间的作用。

该设备包含三十多个动力关节，可将使用者的力量放大了25倍，轻松举起一百多公斤的物体。然而Hardiman装甲的局限性很大，其自身680kg的重量与不及时的传导结构，让该设备的实际用处大打折扣，最终该项目以失败告终。

02

现代外骨骼机器人技术突破：

科幻走进现实的可能性

随着科技的飞速发展，尤其是进入21世纪以来，材料科学、电子技术、人工智能等多个领域的重大突破为外骨骼机器人的发展注入了强大的动力。

在材料方面，新型轻(qīng)质(zhì)高(gāo)强(qiáng)度(dù)材(cái)料(liào)的(de)不(bù)断(duàn)涌(yǒng)现(xiàn)，如(rú)碳(tàn)纤(xiān)维(wéi)复(fù)合(hé)材(cái)料(liào)、钛(tài)合(hé)金(jīn)等(děng)。这(zhè)些(xiē)材(cái)料(liào)不(bù)仅(jǐn)具(jù)有(yǒu)很(hěn)高(gāo)的(de)强(qiáng)度(dù)和(hé)刚(gāng)度(dù)，能(néng)够(gòu)承(chéng)受(shòu)较(jiào)大(dà)的外力和扭矩，而且密度较低，大大减轻了使用者的负担。

同时，柔性材料和智能材料的研究也在不断推进，如形状记忆合金、压电材料等，有望使外骨骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)能(néng)够更好地适应人体运动，提供更加自然、舒适的助力体验。

在电子技术方面，现代外骨骼机器人的运作机理关键在于精准感知、智能决策与高效执行。现如今电子技术的发展，让外骨骼机器人在感知、控制、驱动方面发展迅速。

微处理器运算速度的加快，能够在极短的时间内处理大量的传感器数据，使外骨骼机器人的智能化和精准控制成为了可能。而人工智能技术的应用更是让外骨骼机器人具备了 “学习” 和 “适应” 能力。

通过机器学习算法，外骨骼机器人可以根据使用者不(bù)同(tóng)的(de)身(shēn)体(tǐ)特(tè)征(zhēng)、运动习惯和需求，自动调整控制策略和模式。例如，在康复医疗领域使用的外骨骼机器人，能够在与患者的互动过程中，不断学习患者的康复进展情况和运动能力变化，从而为患者提供个性化的康复训练方案。

随着深度学习技术的发展，外骨骼机器人还能够(gòu)对(duì)复杂的环境信息进行分析和处理，提高其在不同场景下的适应性和安全性。例如，当外骨骼机器人在户外崎岖不平的地形上辅助使用者行走时，它可以通过视觉传感器识别地形特征，自动调整脚步的高度和姿态，避免使用者摔倒。

03

多(duō)种(zhǒng)多(duō)样(yàng)的(de)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)

现(xiàn)如(rú)今(jīn)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)种(zhǒng)类(lèi)繁(fán)多(duō)，这(zhè)些(xiē)看(kàn)似(shì)功(gōng)能(néng)相(xiāng)近(jìn)的(de)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)，其(qí)实(shí)有(yǒu)着(zhe)多种多样的分类方式，每一种分类背后都蕴含着其独特的设计理念、应用范围和技术特点。

从特定部位来看，外骨骼机器人可分为上肢、下肢、全身三大类。

上肢指的是为人体上半部分(fēn)制(zhì)造(zào)的(de)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)，涉(shè)及(jí)胸(xiōng)部(bù)、头(tóu)部(bù)、背(bèi)部(bù)、肩(jiān)部(bù)。下(xià)肢(zhī)指(zhǐ)的(de)是(shì)为(wèi)人(rén)体(tǐ)下(xià)半(bàn)部(bù)分(fēn)制(zhì)造(zào)的(de)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)，涉(shè)及(jí)大(dà)腿(tuǐ)、小(xiǎo)腿(tuǐ)、臀(tún)部(bù)。全身(shēn)则(zé)指(zhǐ)的(de)是(shì)为(wèi)提(tí)高(gāo)人(rén)类(lèi)全身或者大部分机(jī)能(néng)而(ér)制(zhì)造(zào)的(de)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)。

此(cǐ)外(wài)，还(hái)有(yǒu)针(zhēn)对(duì)特(tè)定(dìng)肢(zhī)体(tǐ)和(hé)特(tè)定关节的，包括为膝盖、脚踝、手、手臂、脚等设计的外骨骼机器人。

左为上肢，中间为下肢，右为全身。

**从结构看，外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)可(kě)分(fēn)为(wèi)刚(gāng)性(xìng)和(hé)柔(róu)性(xìng)两(liǎng)类(lèi)。**刚(gāng)性(xìng)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)是(shì)由(yóu)硬(yìng)质(zhì)材(cái)料(liào)，如(rú)金(jīn)属(shǔ)、塑(sù)料(liào)、纤(xiān)维(wéi)等(děng)制(zhì)成(chéng)，并(bìng)且(qiě)通(tōng)常(cháng)具(jù)有(yǒu)刚(gāng)性(xìng)框架。也是我们通常印(yìn)象(xiàng)中(zhōng)的(de)机(jī)器(qì)人(rén)形(xíng)象(xiàng)。

而(ér)柔(róu)性(xìng)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)通(tōng)常(cháng)采用(yòng)轻(qīng)质(zhì)、耐(nài)用(yòng)的(de)功(gōng)能(néng)性(xìng)纺(fǎng)织(zhī)品(pǐn)，并(bìng)且(qiě)在(zài)关键部(bù)位(wèi)存(cún)在(zài)弹性装置，使整体机器人质量轻、灵活度高、更符合人体生理结构。

左为刚性，右为柔性。

从给予用户帮助的类型来看，外骨骼机器人可分为主动和被动两类：主动类指这些外骨骼执行运动时不需要使用者额外费力，执行运动所需的能量由外部能源提供。被动类的外骨骼机器人没有额外电源，必须需要使用者实行一定的运动行为才能发挥作用。

最后从外骨骼机器人的应用领域来看，如今市面上的外骨骼机器人主要分为两类：

一种是针对特定关节性助力的人体增强类的外骨骼，这种外骨骼主要是用来增(zēng)加(jiā)人(rén)的(de)力(lì)量(liàng)，拓(tà)展(zhǎn)能(néng)力(lì)上(shàng)限(xiàn)；另(lìng)一(yī)种(zhǒng)则(zé)是(shì)康(kāng)复(fù)类(lèi)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)，主要(yào)用(yòng)于(yú)医疗康复领域，比如辅助瘫痪病人行走。

因此，外骨骼机器人主要会涉及医疗、工业、军事领域。

04

瘫痪患者重新行走的曙光

在医疗领域，外骨骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)为众多瘫痪患者带来了重新行走的希望。以ReWalk外骨骼机器人为例，它是一款在全球范围内广泛应用于脊髓损伤患者康复治疗的先进设备。许多因意外事(shì)故(gù)导(dǎo)致(zhì)脊(jí)髓受损而瘫痪的患者，在借助ReWalk外骨骼机器人进行康复训练后，取得了令人瞩目的康复效果。

借助外骨骼机器人站起来的瘫痪患者

如果某人在一次车祸中不幸脊髓受伤，导致下半身完全失去知觉和运动能力。在引入外骨骼机器人之前，类似的瘫痪患者往往只能依赖(lài)轮(lún)椅(yǐ)生(shēng)活(huó)，其(qí)日(rì)常(cháng)活(huó)动(dòng)受(shòu)到(dào)极(jí)大(dà)的(de)限(xiàn)制(zhì)。然(rán)而(ér)，现(xiàn)在(zài)，在(zài)专(zhuān)业(yè)康(kāng)复(fù)治(zhì)疗(liáo)师(shī)的(de)指(zhǐ)导(dǎo)下(xià)，他(tā)们(men)可(kě)以(yǐ)穿(chuān)戴(dài)外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)进行康复训练。

外骨骼机器人能够通过传感器精确感知患者上半身的微小运动，如身体重心的转移、手臂的摆动等，并将这些运动信息转化为外骨骼腿部行走的动作指令。

经过长时间的坚持训练，患者有可能逐渐恢复部分腿部肌肉的控制能力，并能够在外骨骼机器人的辅助下站立起来，甚至缓慢行(xíng)走(zǒu)。尽管目前接受康复训练的患者还不能完全脱离外骨骼机器人实现独立行走，但这一显著的进步已经极大地改善了他们的生活质量。

除了帮助瘫痪患者恢复行走能力外，外骨骼机器人在其他康复治疗领域也有着广泛的应用。

例如对于(yú)脑(nǎo)瘫(tān)儿(ér)童(tóng)的(de)康(kāng)复(fù)训(xun)练(liàn)，外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)同(tóng)样(yàng)有着不可替代的作用。由于脑瘫儿童的肌肉控制能力和运动协调性较差，多数成年后会失去独立行走的能力。

目前传统治疗方法只有手术与药物注射，而专门为脑瘫儿童设计的外骨骼机器人则可以通过温柔而精准的动作辅助，帮助孩子们进行站立、行走、平衡等基础运动能力的训练，有效改善了患儿病态的蹲伏姿势，恢复其运动能力。

**可以想象，在未来，外骨骼机器人在康复治疗方面将取得更加惊人的突破。**也许有一天，外骨骼机器人能够通过与人体神经系统的深度连接，利用(yòng)神经再生技术和生物电刺激疗法，刺激受损的脊髓神经重新生长和修复。

就像电影《阿凡达》中所展现的那样，通过先进的生物技术和机械装置的结合，使瘫痪患者不仅能够重新行走，甚至能够像正常人一样感受腿部的触觉、温度觉等各种感觉，真正实现身体功能的全面恢复。

电影《阿凡达（Avatar）》剧照

05

人类力量升级的增幅器

在工程制造领域，外骨骼机器人可以为(wèi)工(gōng)人(rén)减(jiǎn)轻(qīng)繁(fán)重(zhòng)体(tǐ)力(lì)劳(láo)动(dòng)的(de)负(fù)担(dān)，提(tí)高(gāo)生(shēng)产(chǎn)效(xiào)率(lǜ)。在(zài)汽(qì)车(chē)制(zhì)造(zào)工(gōng)厂(chǎng)、航(háng)空(kōng)航(háng)天(tiān)试(shì)验(yàn)场(chǎng)以(yǐ)及(jí)物(wù)流(liú)仓(cāng)库等地方，都需要工人每天搬运大量的重物，频繁操作重量大的机械部件等。传统的方式主要依靠工人手动操作起重机或搬运工具，不仅劳动强度大，而且容易出现安全事故。

现在，一些企业引入了外骨骼机器人来协助工人完成这些繁重的任务。这些工业外骨骼机器人通常具备强大的动力系统和稳定的结构设计，能够轻松地搬运和移动重型零部件。工人只需穿戴外骨骼机器人，通过简单的操作指令，就可以让外骨骼机器人与自己协同工作，降低了工作强度，并且很好地保护到工人的健康。

熬鲨智能官网展示的工业型外(wài)骨(gǔ)骼机器人

在军事领域，外骨骼机器人正逐渐改变着战争的模式和士兵的作战方式。例如美军正在研发的新型外骨骼机器人项目——伯克利外骨骼系统The Berkeley exoskeleton system（BLEEX）。

伯克利外骨骼系统（图片来源：美国伯克利大学网站）

伯克利外骨骼系统可以为士兵、救灾人员、战斗机驾驶员和其他紧急救援人员提供了一种大量增加自身负载量的能力。

这套系统还可以让使用者在任何类型的地形上、以最小的耗力长时间携带食品、救援设备、急救用品、通信设备和武器等负载物，同时可以灵活的做出各种动作，如蹲下、弯曲、左右摆动、扭转、在上坡和下坡上行走和跑步，以及在携带设备和用品时越过障碍物等。

BLEEX项目的主要目标是创造一个自我供电的外骨骼，其力量和耐力增强人类是符合人体工程学的，并且高度可折叠，机械坚固，重量轻，耐用。

电影《明日边缘（Edge of Tomorrow）》剧照

**未来的军事外骨骼机器人可能会综合众多高科技功能，就像在电影《明日边缘》中那样。**它将集超强力量、高机动性、自适应伪装于一体，能依环境变换外观隐匿身形；内置智能战术分析模块，连通卫星与无人机，为士兵呈现动态战场全貌并预判敌方行动；还可能实现神经连接交互，士兵以脑电信号精准控机，达成人机高度协同，大幅提升作战效能与生存能力。

参考资料

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83. 邢(xíng)凯(kǎi),赵(zhào)新(xīn)华(huá),陈(chén)炜(wěi),等(děng).外(wài)骨(gǔ)骼(gé)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)研(yán)究(jiū)现(xiàn)状(zhuàng)及(jí)发(fā)展(zhǎn)趋(qū)势(shì)[J].医(yī)疗(liáo)卫(wèi)生(shēng)装(zhuāng)备(bèi), 2015, 36(1):4.DOI:10.7687/J.ISSN.1003-8868.2015.01.104.
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85. https://www.mdpi.com/2076-3417/11/1/76
86. https://www.sciencenet.cn/skhtmlnews/2017/9/3698.html
87. https://www.toutiao.com/article/7467932241423893027/?upstream_biz=doubao&source=m_redirect
88. https://news.qq.com/rain/a/20250204A03CCP00策划：张超 李培元 杨柳

审核：付昌义 南京工业大学副教授

江苏省科普作家协会科幻专委会主任委员