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科學家發明半人馬負重助行機器人，讓負重行走效率飆升35%

人工智能機器人美軍

科學家發明半人馬負重助行機器人，讓負重行走效率飆升35%

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研究示意圖 。 南科大供圖
一名士兵背負20公斤裝備 ， 在山地執行長途任務 ， 幾小時后體力透支、步態失穩 ， 這幾乎是全球各國軍隊面臨的共同難題 。
現實數據更觸目驚心：研究顯示 ， 近45%的美軍作戰人員在12個月內曾遭受與負重行走相關的肌肉骨骼損傷 ， 下背部和下肢是重災區 。
而目前主流的解決方案 ， 也就是各類穿戴式外骨骼 ， 始終未能交出令人滿意的答卷 。
外骨骼的天花板 ， 卡在哪里？過去幾十年 ， 工業界和學術界在外骨骼領域投入了大量資源 。 從波士頓動力到哈佛大學軟體機器人團隊 ， 各路玩家相繼推出產品 ， 但一個根本性的物理瓶頸始終難以突破：傳統外骨骼與人腿剛性并聯 ， 其助力方向與人體行進方向存在較大夾角 ， 力量傳遞效率天然偏低 。
即便是性能較為出色的背包式助力系統 ， 將人體代謝率降低約10%已接近其理論極限 。 這意味著背負20公斤裝備的士兵 ， 穿上外骨骼后體力消耗幾乎沒有質的改變 。
這條路 ， 似乎走進了死胡同 。
南方科技大學機械與能源工程系教授付成龍團隊選擇了一條截然不同的路徑——與其讓機器人\"貼著\"人腿走 ， 不如讓機器人生長出屬于自己的腿 。
四條腿的組合 ， 一套全新的人機哲學這款被稱為\"半人馬\"的穿戴式助行機器人 ， 其名字已經直白地揭示了設計邏輯：人的上半身負責導航決策 ， 機器人的兩條獨立腿負責承重前進 ， 二者通過背部的彈性耦合接口連接 ， 組成一個能夠協同行動的\"混合四足體\" 。
【科學家發明半人馬負重助行機器人，讓負重行走效率飆升35%】這與傳統外骨骼的設計哲學有著本質區別 。 傳統外骨骼試圖成為人體的\"第二層皮膚\" ， 而半人馬機器人則選擇成為人體的\"第二對腿\" ， 將物理負載通過機器人自己的肢體直接傳遞給地面 ， 而非強行分攤給人體骨骼關節 。
連接人與機器人的彈性耦合機構是整套系統的關鍵創新之一 。 團隊設計了一套基于菱形連桿與拮抗彈簧的\"軟化彈性耦合機構\" ， 其工程巧思在于：當受力較小時 ， 機構剛度大、響應靈敏；當受力增大時 ， 剛度自動降低、緩沖能力增強 。
這種隨力自適應的特性 ， 讓機器人既能像獨立個體一樣穩定自主運動 ， 又能通過接口向人體精準輸出水平推進力 ， 實現了\"助力\"與\"平衡\"兩個核心功能的動態解耦 。
在控制層面 ， 團隊開發了\"行走-交互協同控制框架\" ， 使機器人能夠實時感知穿戴者的運動意圖 ， 無需任何手動指令即可實現高精度全向跟隨 ， 并同時向人體輸出穩定的水平前進推力 。
數字背后 ， 是真實的體力解放半人馬機器人在真實環境下行走 ， 為多位受試者提供助力輔助
實驗數據令人印象深刻 。 與徒手背負20公斤重物相比 ， 穿戴半人馬機器人并獲得水平助力的條件下 ， 受試者的凈代謝成本下降了35% ， 足底壓力減少了52% 。
35%這個數字意味著什么？打個比方：原本背著20公斤走完一段山路會讓你精疲力竭 ， 穿上這套系統后 ， 你的身體感受可能只相當于背著約13公斤在走 。
更值得關注的是穩定性數據 。 研究顯示 ， 穿戴該機器人后 ， 受試者的步寬變異性顯著降低 ， 其穩定性指標與空載行走無顯著差異 。 這意味著 ， 這套系統不僅幫人扛重物 ， 還主動幫人\"站穩\" ， 有效抵消了負重對行走平衡的擾動 。
在靈活性測試中 ， 該機器人展示了出色的復雜地形適應能力：可在1米寬的狹窄通道內連續完成\"8\"字繞樁 ， 還能借助視覺感知自主規劃路線 ， 順暢通過臺階、斜坡及戶外不規則路面 。
相關成果已發表于機器人領域頂級期刊《國際機器人研究雜志》 。
這套系統的應用想象空間頗為廣闊：應急救援人員攜帶設備深入災區、野外地質勘探隊在山地長途跋涉、后勤保障人員在復雜地形轉運物資 ， 都是它可能大顯身手的場景 。 當然 ， 從實驗室到實戰部署 ， 這款機器人還需要在續航時間、系統重量、極端環境適應性等方面繼續打磨 。
但至少在這一輪 ， 半人馬機器人用一套反直覺的設計邏輯 ， 為一個長期被認為已無突破空間的問題 ， 打開了一扇新的門 。
信息來源：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2026/2/560656.shtm

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