机械骨骼指日可待，铁甲钢拳不再天方夜谭？| 红杉爱科学

红杉汇×折叠宇宙相比前面几期谈到的人工智能、基因编辑和细胞医疗，机械骨骼算是最快应用到大众视野里的了。
残奥会上，运动员便是穿戴着智能义肢来完成比如跑步等比赛的。可除了给残疾人应用的这种智能假肢，机械外骨骼能不能给全人类提供机械上助力，让我们战斗力大大提升呢？
为此，我们随郝景芳一起拜访了国内智能假肢和生物机械领域权威专家，清华大学的季林红教授，一起来了解一下，现在的机械骨骼，距离科幻电影还有多远。

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如何操作假肢手指的运动

郝景芳：在季老师实验室里，我看到80年代我们就有了三个指头的肢体，能旋转，能够做精细的动作，甚至还可以弹钢琴。这是靠什么来操作手指的运动呢？是像传说中那样，靠大脑的意识通过神经传递给假肢，还是说是靠肌肉的感应？
季林红：一方面，是肌电信号来控制假肢的动作，另外，脑电的控制现在也发展得很快。肌电信号控制的原理因为它肌肉收缩之后才有一些电，那么用这个信号来控制肢体的动作，是肯定要训练的。比如说我是残疾人A，然后你给我定了一个假肢，通过训练之后，我跟它磨合地非常好了，我可以很灵活地控制它。但假设我把这个假肢换给另外一个残疾人B的话，他也要经过一个重新训练的过程。
郝景芳：所以现在我们看到的肌电控制，它是能够这样感受到肌肉的信号。那这个神经的控制是说它未来就像电路一样能够指挥一切是么？
季林红：我们的大脑皮层有很多径路。举一个相反的例子：比如说我这个手没了，但是它有幻肢痛，给我感觉是大拇指疼，实际上我截肢了哪有大拇指啊。这是因为我们的大脑皮层中间有一个区域，它就是跟这相连的。科学家们于是发现，我能把那个点，这一点是大拇指、这点食指、这点中指，能把残端都找出来。
当然我们在上边这一块，是一根神经到下面分叉了，那么在这个地方的话，就是说你到这边来也可以挨个接收，你比如说这个是大拇指的信号，那个是中指的信号，那么神经这一块的信号可以连接起来。
当然像我们现在还有一些科学家研究，上边一个神经，你比如说我把控制这个的肌肉的神经剪掉，然后把控制对应指头的肌肉把它搁在这个基础上，然后取这个肌电信号就可以控制相应的指头。

实现《钢铁侠》还有多远时间

郝景芳：我看到过一些报道，说是国外的军队，他们也在大力的研发外骨骼。战士们穿上这种外骨骼装置之后，他的承重能力会大幅增加，他的运动速度会大幅增加，扛着大包能一天行进好几公里或者是好几十公里，还不疲劳。那我们在这方面的研究目前到达了一个什么样的水准？
季林红：首先，假肢是它里面有一个支撑，我们叫内骨骼。实际上是在你肢体完好的情况下，要在外面套一个承受力的东西，让它能够把力传到地面上去。但是运动，是需要驱动关节的转动，这个就是外骨骼。现在对于外骨骼来说，最早是美国人从军队开始应用的，主要解决军队的国防需求。但是中国是主要从残疾人开始的，尤其是截瘫的人。
截瘫的一些患者，他站不起来，就需要外骨骼来支持。因为一个人一直躺着或者坐着，对生理系统还是有很大影响。所以国内自80年代就开始研究这个东西，那个时候叫截瘫助行器，是让截瘫患者站起来，让他走几步。
郝景芳：这种人体增强的技术在美国已经实际应用了吗，还是一个实验室状态？
季林红：现在还都是实验室。毕竟我们的肢体它也需要自由度，你要外面再加一个骨骼，它也有另外一个自由度，相当于几个机构是平行的。如果机构不平行，它就变成结构了，结构化的话就卡住了，拧不动，会消耗很大能量，所以这一领域的技术现在全世界发展很快。
郝景芳：电影《钢铁侠》里面的全身外骨骼装甲，胜在运动性能、能量储备和供给上，这个肯定现在是实现不了的。那以您专业的角度来看，如果真的有一天实现了，大概还距离有多遥远的时间？
季林红：我觉得这个发展可能是超越我们的想象。现在美国已经有一种生物机器人，就是除了脑袋好使，其它地方都不好使了。换言之，它的肢体去功能生存，但是它神经还是好的，那么就可以通过一些外部帮助，来代替原本的。简单理解，就是“你缺啥，我替”。
郝景芳：所以这个其实真的得需要对神经系统本身也了解得更充分，让神经系统慢慢的能够控制全身的肢体。
季林红：因为这块一些单个的技术已经发展得很好了，眼下要研究的是怎么样形成一个系统。你比如二十年前可以实现神经控制开关灯，打键盘，控制假肢、控制机械臂也可以实现。现在更是已经可以通过脑电控制开车。
郝景芳：现在咱们这种肢体的骨骼和肌肉都用的是什么材料？
季林红：结构材料有那种金属的也有非金属的，钛合金就比较轻，钢铁也比较好，当然比如说碳纤维什么的也可以。肌肉这一块是另外一个驱动方式。现在目前的话，我们国内大部分用的还是电机。就是说我们现在动作是靠肌肉多个肌肉群一块，一些肌肉群驱动一个动作。那么我们现在还是单个驱动，你比如肘关节，我就有一个电机。但现在也做分布式驱动。
材料学科的专家们在研究这种AMPCO-18材料，类似于原来的机械合金。它在某种情况下就可以伸缩，能够有驱动力。但现在这种类似于肌肉的驱动材料还正在研究，尚没有应用在假肢或者是在外骨骼的机器人里面。

机械肢体可以表达人的肢体语言吗

郝景芳：从我们今天这样的肉身人，到一个半机械人。研究过程中，您觉得最难的难点在哪？
季林红：目前的话，咱们人机交互还是一个难点。比如说我看到有什么物品，然后需要一个东西使大脑下指令，让手指实现精准地触碰，形成一些反应。当然这是最简单的那种，可即便是这个也很难实现。
郝景芳：所以其实还是得对于我们整个的神经系统有更好的了解和模拟。
季林红：我们的机械现在就是一个CPU加上一个执行，然后形成这么一个闭环。但是我们的人可不一样，大脑皮层这一块是中枢神经，然后还有脊柱神经、条件反射，这些不是中枢神经控制的。要形成这么一个大的系统，还是需要一些时间。
郝景芳：那如果像美国那种，他只有头是好的，然后身上换了很多机械肢体。那就意味着说，他的肢体多少都有点像机器人了，那这种情况下，这个肢体还能表达出很多他的可能情绪反应，或者是有一些细微的这些肢体动作。你像我们人害怕的时候可能缩起来，趾高气昂的时候可能比较舒展，所有的这些身体语言他还能表达吗？
季林红：我觉得难度还是很大的，因为现在我们考虑更多的是功能性，就是生物机器人将来主要功能。比如说你能够拿点什么东西，或者能够做一个什么样的动作。真的要表示情感，我觉得难度还是挺大，因为最复杂的就是情感。
我觉得，未来机械控制肯定是要分层的，中枢神经负责专门的事情，模块化的低位神经控制一些具体细节的事情，这个应该是未来的实现方式。
郝景芳：如果真的换上了机械肢体，换的比较多，它会使得我们整个人本身就发生一些变化吗？因为我们知道说其实人身心交感是挺严重的。我换完了以后，我这个人是不是整个性格就变成另一种。
季林红：这个大家想象，未来的人如果外面穿戴一个机械，甚至说胳膊没了，然后做一个假肢。那个也不叫假肢了，叫机械人了。这个应该可以想象。
但是这个对人有多大影响。应该说，人是很复杂的，还有很多东西没搞明白，机械对人的影响尚不清楚，未来还需要解决这个问题。
你比如说原来我知道，因为美国当时科学家们在多少年前做过一个实验，比如说他用胸大肌的肌肉来控制我的假肢。后来发现什么，实际上时间长了之后，发现大脑皮层原来的位置变化了。因为我们的神经是可塑的，所以说机械对人的影响可能是双向的。

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