外骨骼在卫勤保障领域中的应用现状及展望

喻垚瑞，胡雪军，吴坤鹏，潘景光，陈活良，任 杰，蒋 伟*

（1.空军军医大学基础医学院学员四大队，西安 710032；2.空军军医大学空军卫勤训练基地，西安 710032；3.解放军63750 部队医院，西安 710043）

0 引言

外骨骼是一种能够增强人体力量和耐力的人机协同设备[1]，它直接与人体肌肉骨骼系统并联，提供承载、保护、运动助力以及环境感知等[2]。作为新兴人体增强技术的重要设备，外骨骼在世界各国受到了广泛的关注，各国相继开展外骨骼的研发。自1956 年哈德曼项目引领第一波外骨骼研发浪潮以来，外骨骼的发展已过半个世纪，在军事、医疗和工业领域均有初步的应用[3-5]。在卫勤保障领域中，外骨骼在提升医疗人员战场救治能力方面具有非常广泛的应用价值和前景，但目前仍处于探索阶段。本文对外骨骼在卫勤保障领域的应用现状、面临的挑战及应用建议进行论述，以期为外骨骼在卫勤保障领域的研发工作提供参考。

1 外骨骼在卫勤保障领域的应用现状

外骨骼起初旨在增强士兵的力量，但随着技术的发展，外骨骼已不再局限于增强人体力量，其应用更加广泛。在军事领域，外骨骼主要用于满足士兵适应复杂战场环境的需求，这对其综合性能提出了较高要求，世界各国至今仍在不断探索以寻求更大突破。在医疗领域，外骨骼具有较好的临床价值，持续推动着外骨骼的开发，目前用于医疗的外骨骼在辅助患者生理功能恢复中发挥着重要作用。在卫勤保障领域，外骨骼的实际应用需要同时具备军事和医疗的双重特性，因而发展更加困难，至今尚无成熟的外骨骼进行实际应用，但其在增强战时单兵战救能力、促进战救装备的集成运用、保护战场医疗人员以及辅助伤病员康复训练等方面具有广阔应用前景。

1.1 外骨骼增强单兵战救能力

战场救治效率与医疗人员体力密切相关，外骨骼利用机械动力装置增强人体力量与耐力或通过结构设计降低人体体力消耗，可大幅度增强医疗人员力量与负重耐力。2001 年，日本神奈川工科大学率先研制出全身机械动力辅助服PAS（如图1 所示）[6]，可提升穿戴者力量50%～100%，能帮助护士举起体质量较大的患者。2000 年，美国启动增强人体机能的外骨骼（exoskeletons for human performance augmentatio，EHPA）项目，在该项目支持下，美国加州大学成功研制了第一个属于下肢领域的机械外骨骼BLEEX[如图2（a）所示][7]，BLEEX 有效载荷达34 kg，可帮助士兵携带重物。该团队还先后研发了ExoHiker、ExoClimber和HULC 外骨骼，如图2（b）、（c）、（d）所示[8]。2021 年，中国科学院深圳先进技术研究院研制出一种轻质软外骨骼（如图3 所示）[9]，受试者穿戴轻质软外骨骼后行走，股直肌、股外侧肌、腓肠肌和比目鱼肌的肌肉疲劳度比未穿戴时分别下降了14.69%、6.66%、17.71%和8.15%。未来，战场医疗人员通过穿戴外骨骼，不但能减轻医疗人员承担所携带医疗物品和装备的质量，使其携带更多战救耗材的同时减少伤员搜救等行动的体力消耗，还可帮助医疗人员更加敏捷地完成匍匐跳跃等战术动作，提高其自身战场生存能力的同时增强火线抢救等行动的灵活性与机动性。此外，在伤病员的救治或转运环节中，外骨骼同样可使医疗人员更高效地完成担架搬运等作业任务。

图1 动力辅助服PAS[6]

图2 BLEEX 系列外骨骼

图3 中国科学院深圳先进技术研究院轻质软外骨骼[9]

1.2 外骨骼促进战救装备的集成运用

在信息技术和高速网络技术的支持下，卫勤保障各装备的互联互通成为必然趋势，外骨骼可作为一个智能载体，为战场救治设备集成运用提供支持。2013 年，美国特种作战司令部与美国国防高级计划局牵头研发轻型战术突击作战服TALOS（如图4 所示）[10]，该作战服集成了外骨骼、新型护甲、生理和生物传感器、智能头盔、通信装置等设备，旨在提高士兵的战斗力、防护和战场感知能力，并可实时监测穿戴者的生命体征，必要时还可为士兵进行供氧、止血等紧急自主医疗。俄罗斯中央精密机械制造研究所2017 年发布了“ Ratnik-3”士兵系统样机（如图5 所示）[11]，该系统集成了外骨骼、信息系统、突击步枪、生命监测与防护系统等59 个组件，通过头盔显示器能够显示健康、生理、温度、目标、地图等信息。未来，外骨骼与战场救治设备进行综合集成运用，有望打造出一体化智能救治系统，使医疗人员、卫勤指挥人员以及后方医疗专家能够实时交互信息，使救治行动现场指挥协调更加顺畅高效，实现远程医学指导对战现场救治末端的覆盖；该系统还可作为基站记录、储存伤员救治信息，为救治后的复盘汇总提供数据支持；此外，可基于该系统集成医疗设备的电源、外壳等结构，进一步减轻医疗人员所携带医疗设备的质量。

图4 轻型战术突击作战服TALOS[10]

图5 “ Ratnik-3”士兵系统样机[11]

1.3 外骨骼保护战场医疗人员

在战场环境中进行伤员救治，医疗人员可能面临作战环境带来的生命威胁，救治时的高强度负荷也易造成肌肉损伤，穿戴外骨骼可为战场医疗人员提供强大保护。加拿大Mawashi 公司于2017 年推出了一款超轻被动型士兵外骨骼系统UPRISE（如图6所示）[12]，其可以与防弹衣相结合，为穿戴者提供护甲，还可将穿戴者50%～80%的负重力量转移到地面，减少下肢关节损伤的风险。法国Schwartz 等[13]评估了不同外骨骼在各类任务中对人体躯干和背部肌肉活性的影响情况。实验中，29 名志愿者各负荷15 kg，分别穿戴3 种不同背部支撑外骨骼执行静态任务、对称提升任务以及不对称提升任务。与不穿戴外骨骼时相比，穿戴2 种主动外骨骼均可将背阔肌、竖脊肌等肌肉活性从-7%降低到-62%，穿戴被动外骨骼可将背部肌肉活性从-12%降低到-27%。Ji 等[14]设计了一种主动腰椎外骨骼SIAT-WEXv2（如图7 所示），分别记录了10 名受试者穿戴SIAT-WEXv2 和未穿戴SIAT-WEXv2 情况下举起25 kg 负载时L3 水平竖脊肌的肌电图信号，结果显示穿戴后受试者的肌电图信号显著降低，平均降低40.5%，波动范围为±6.5%。未来，外骨骼在战场环境下的应用，不仅可通过遮盖人体表面保护医疗人员免受子弹、弹片的伤害，还可在负重、搬运等场景下缓解其肌肉关节负荷，降低肌肉关节损伤风险。

图6 超轻被动型士兵外骨骼系统UPRISE[12]

图7 SIAT-WEXv2原型机[14]

1.4 外骨骼辅助伤病员康复训练

在战争背景下，医疗机构常面临人员不足、医疗资源有限等困境，不能及时合理地辅助神经肌肉损伤伤病员进行康复训练，因此经常出现损伤部位愈后功能不佳等问题，而外骨骼的应用为解决伤病员康复训练问题提供了新的思路和手段。美国Ekso Bionics 公司研制的Ekso NR 外骨骼（如图8 所示）[15]可帮助神经损伤的患者进行适应性步态训练，并可以持续监测和调节患者运动状态，患者和医疗人员可根据反馈的信息制订更合理的训练计划，Ekso NR先后被美国食品药品监督管理局批准应用于中风、脊髓损伤、脑损伤和多发性硬化病患者。哈尔滨工业大学开发了一种用于手指功能康复的机械外骨骼（如图9 所示）[16]，可辅助手指损伤的患者进行手指运动（手指运动几乎达到了健康成年人的最大弯曲角度），显著增强了患者处理部分功能性日常生活任务的能力。Zhang 等[17]研制了一种模拟患者咳嗽的软外骨骼（如图10 所示），其通过对人体腹部施加压力，向上“推动”横隔膜的方式，增强脊髓损伤患者咳嗽排痰能力，具有辅助效果好、副作用少、舒适等优点。未来，通过穿戴外骨骼，不仅可辅助运动能力损伤的伤病员进行主动康复训练，在减轻医疗人员护理压力、节省医疗资源的同时使康复训练更加有计划地完成，还可在伤病员的日常生活中帮助伤病员恢复损伤肢体的部分基础功能，使其在生活中更加自信，也体现出对伤残士兵的人文关怀。

图8 Ekso NR 外骨骼[15]

图9 手指康复外骨骼[16]

图10 软外骨骼的仿生概念设计[17]

2 外骨骼在卫勤保障领域应用面临的挑战

根据有无动力来源可将外骨骼分为主动外骨骼和被动外骨骼[18]。被动外骨骼没有动力来源，通过结构设计辅助人体运动，在人机协调性、控制效果以及辅助效果等方面存在一定不足。主动外骨骼通过传感器采集信号传递给控制系统，控制系统根据采集的信号驱动外骨骼完成对人体的辅助，但存在续航短、质量大以及成本高等问题。相比于被动外骨骼，主动外骨骼具有更丰富的功能和用途，因此其研发受到更多的关注。下面主要对主动外骨骼在卫勤保障领域应用面临的挑战进行分析。

2.1 人机交互协调性差

主动外骨骼通过控制器分析传感系统采集的信号控制外骨骼，从而实现与人体同步与运动[19]。目前外骨骼采集分析的信号主要有物理信号和生物电信号2 类[20]。测量物理信号的传感器在人体产生运动意图时需要身体有一定的运动改变后才能将产生的力、位移、角度等物理信息传递给控制器，因此测量物理信号的外骨骼存在一定的滞后性。测量生物电信号的传感器直接根据人体肌电、脑电等信息传递给控制器，在一定程度上解决了信号采集滞后的问题，但由于人体的生物电信号精确复杂，因此基于采集生物电信号的外骨骼采集的信号往往不准确且技术难度大。HAL-5 外骨骼[21]采用收集物理信号和肌电信号相结合的方式实现双控制，但其仍与真实的肌肉模型具有一定的差异。无线脑-机接口使外骨骼与人体的交互更加准确，但由于其控制器半侵入脑膜外，存在与人体的相容性问题[22]。

2.2 供电续航能力差

外骨骼能源供给问题一直是制约主动外骨骼实际应用发展的关键因素之一。起初外骨骼需要携带电缆，直到2005 年伯克利机器人与人体工程学实验室通过结构设计并使用重力和能源回收技术完成了ExoHiker 外骨骼[8]的研发，外骨骼才脱离了电缆的牵绊。之后外骨骼主要采用蓄电池供电，但蓄电池有容量限制，不能满足长时间续航的需求。2021 年，复旦大学团队构建了一种新型纤维聚合物锂离子电池，将纤维锂电池编制成可穿戴的纺织品，对解决外骨骼续航问题具有重要意义。该电池的能量密度达86.69 W/kg，但仍不足以满足外骨骼的能量需求[23]。

2.3 整体结构厚重

由于外骨骼对结构强度要求较高，设计制造往往需要选择高密度材料，这导致外骨骼质量增加从而使其实际使用受到限制。因此，外骨骼的轻量化为各国研究的重点之一，质量的减少可以增加外骨骼的灵活性，同时延长外骨骼的使用寿命。外骨骼的制造材料从最初的钢铁，到铝合金、钛合金，再到如今的各种新型材料，一定程度上减轻了其质量，但整体结构仍较为厚重。2013 年研发的Soft Exosuit 柔性外骨骼腿部采用网状绑带代替以往外骨骼的刚性杆件，质量大大减轻。其设计理念具有划时代的意义，经过改进，第二代Soft Exosuit 自身质量达10.1 kg[24]。但是，对于长时间使用者来说，这个质量仍会给其造成较大的承重负担。

2.4 运动受到限制

人体运动以可动的骨连接为枢纽，肌肉收缩牵拉其附着的骨骼从而产生运动，具有较高的灵活性。穿戴者与外骨骼交互过程中受到材料结构和内部元件的限制，不能完全模拟人体的自主运动。2005年ExoClimber 下肢外骨骼通过在髋关节增加液压缸进行主动助力，实现了外骨骼快速爬楼梯和陡坡，该技术的突破增加了外骨骼的运动活动度。2020 年葛国强等[25]提出了一种十自由度外骨骼康复机器人，可实现上肢多关节组合的康复训练，提升了上肢康复外骨骼的适应性。但是，目前外骨骼的活动度仍然难以完全适应真实人体关节的全部运动。

2.5 使用成本高

外骨骼设备价格高昂，用于医疗康复的外骨骼中头部产品Ekso Bionics 价格超过10 万美元，HAL-5价格最低约2 万美元[26]。用户使用外骨骼的同时还有设备维护、使用培训等相关费用。根据相关资料，残疾人用户使用一件动力髋-膝-踝外骨骼设备每年的总成本超过10 万美元[27]。昂贵的价格导致外骨骼在市场接受度不高，3 家专营外骨骼机器人的创业公司ReWalk、Ekso Bionics、Cyberdyne 发展已近20年，至今尚未实现盈利[28]。

3 外骨骼在卫勤保障领域应用的建议

3.1 加强关键技术研发

在卫勤保障领域，研究人员应在结合现有外骨骼技术的基础上加强对关键技术的研发以突破瓶颈，解决外骨骼人机交互协调性差、供电续航能力不足以及整体结构笨重等问题，研发出更加轻巧、灵活及耐用的新型外骨骼。外骨骼在卫勤保障领域的应用对增强战场医疗人员急救能力以及提升卫勤保障能力具有重要意义，研发重点应放在更加轻质稳定的外骨骼材料和能量密度更大的电池2 个方面，以满足战场医疗人员自如的行动和持续的高体力消耗需求。

3.2 加强各系统集成运用

外骨骼是一种复杂的人机交互系统，包括生物传感、智能控制、信息处理、能量供应等多个系统，研究人员应加强外骨骼自身各个系统的集成运用，以形成高效、稳定且安全的统一整体，促进外骨骼在医疗领域的应用。此外，外骨骼与其他装备集成运用也应予以重视，可将其作为一个载体嵌合医疗人员的医疗装备、通信装备等，也可根据救援任务的差异选择嵌合特定的装备，实现医疗人员在战场急救中协调使用自身携带的装备的目的，提升了医疗人员的救治效率。

3.3 加强相关领域人才合作交流

外骨骼具有较强的军民通用性，其技术涉及领域广，多方协同与学科交叉是促进外骨骼发展的可行方案。在外骨骼的研发方面，美军高度重视与民营企业的合作，美国国防高级研究计划局与民营企业Ekso Bionics 长期进行合作，研发出HULC 外骨骼[8]，Ekso Bionics 研制的Guardian XO 外骨骼在美国海军也有应用。我国外骨骼的研制起步较晚，近年来发展迅速，但与美国等发达国家仍有较大差距，应加强军地相关领域人才合作交流，共同谋划外骨骼的技术创新。

3.4 加强使用人员培训

目前，外骨骼技术仍不够完善，无论是基于物理信号还是生物电信号控制外骨骼，仍存在与穿戴者运动意图可能不一致的问题，造成使用外骨骼具有一定的难度和危险性。因此，在使用外骨骼完成任务前应加强对穿戴者的培训，确保穿戴者掌握外骨骼的正确使用方法，实现友好的人机交互，防止事故的发生。加强使用人员培训对于外骨骼日常维护保养同样重要，通过系统的培训使其了解外骨骼的保养方法，才能延长外骨骼的使用寿命。此外，对于康复类外骨骼，除加强对患者的使用培训外，还应对医疗人员进行培训，以便医疗人员能帮助患者进行高效的康复治疗。

4 结语

目前，外骨骼的研发技术不断完善成熟，在战现场救治、特殊环境卫勤保障和伤员康复等方面产生了重要影响，具有广阔的应用前景。人机融合技术、高性能电池技术以及材料技术等关键技术的突破，外骨骼人机交互、能耗续航、灵活运动、安全舒适等性能的全面提升，将是未来外骨骼在卫勤保障领域能够进一步拓展应用场景的关键。随着外骨骼技术和其他科技领域的合作交流，外骨骼在卫勤保障领域仍有很大的潜力待挖掘。