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外骨骼设备系列4:人工智能学院派精英打造美国特种部队唯一合作的“钢铁侠”

作者:allenxu 2016-01-26 17:00

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ekso

今天给大家介绍的是美国的外骨骼精英企业-Ekso Bionics,为什么说是精英企业呢?因为公司前身就是作为加州大学伯克利分校的 Berkeley RoboticsHuman Engineering Laboratory 的研究分支,几乎内部一半以上的人来自美国常青藤盟校,更别说其深厚的军方背景了。

Ekso早期主要是研究增进人类机能的外骨骼设计和制造领域的,当初主要考虑的是军事用途,医疗以及工业建筑方面那是后来的事了,关于这段往事本来想一笔带过的,但深入了解之后发现,Ekso的成长历程还是很符合硅谷一贯的技术型创业风格的,所以就详细介绍一下。

前面我们说过,用可穿戴机器人克服人类自身的弱点,这样的构想其实在上世纪六十年代中期的时候就出现了。当时,Marvel漫画公司出版了第一期《无敌铁人》漫画,讲述一位叫安东尼·爱德华·斯塔克的工业家穿上自己设计的机械外衣之后变成了不可战胜的铁甲超人。无独有偶,美军也在思考类似装置。6个月后,陆军工程师谢尔盖·J·扎鲁德尼发表了一篇论文,题为《Bum puhser:运动动力援助》

当时美军也在为士兵的装备负荷所烦恼,装载运输是造成美国军队伤病的二大原因之一,另一个原因是简易爆炸装置造成的伤害,由负重过重造成人员伤亡比其他任何原因的都多。那么该如何解决这个问题呢?现在大家都开始意识到可以使用外骨骼机器人来解决。所以,扎鲁德尼的设计启发了美军,于是他们就开始了在此领域长达40年的外骨骼科学研究。要知道美军军方的研究都是实打实的要出研究成果的呀,随便写篇论文交上去这可不行。但是呢,当时还处于第二次工业革命后期,计算机这东西还相当珍贵,另外从物理学上讲,人体燃烧的热量是与其做功量相匹配的,然而早期的外骨骼仅仅是站立就要消耗大量能量。所以在当时的技术水平下,大家只能把外骨骼和或者蒸汽引擎这样的能源驱动方式相联系起来,他们认为驱动外骨骼的唯一的方法就是将机器通过电缆与电源连接,或是背一个大功率的汽油引擎,但很显然,不会有人打仗还随时带着插线板或者蒸汽机这东西的,所以呢,想法是美好的,现实是骨感的,但当时大家依然是热情高涨地在进行着这项研究。

关键的技术突破出现在2004年,其实更准确点说应该是研究方向的改变。当时的加州大学伯克莱分校机器人和人体工程实验室里的一些年轻人就一直在思考:为什么我们的外骨骼在没有做任何有用的事情时就需要消耗那么多的能量?因为从常识来分析的话,机器人只是站在那里,并没有做任何实际工作就消耗了大量的能量,而你看一下我们自己,我们站着不做什么,不会觉得累。当然,如果站了一整天,还是会疲倦的,但当我们只是站着的时候,并不会累得喘不过气来。

所以他们当时认为,肯定有一种方式,可以像我们的骨骼结构那样支持我们的重量,不用使用驱动器,也无须消耗大量的能量。后来,研究所的三个年轻人哈梅因·卡泽鲁尼、内森·哈尔丁和拉斯·安戈尔德找到了这个办法,他们把它称为ExoHiker。这其实就是一个简单的机械部件,按照一定的顺序组成的关节,但它可以通过关节将重量转移到地面,在站立不动的时候无需消耗能源。此外它还充分利用重力和能源回收技术。这些改进使得用电池取代电缆成为可能。

于是,第一副没有牵绊的外骨骼就这样诞生了。

专利图

很快的,他们意识到这项技术有些非常广泛的商业前景。于是,2005年的时候,卡泽鲁尼、哈尔丁和安戈尔德建了Ekso Bionics。3年后,布鲁斯·博拉普成为公司首席执行官。在此之前,博拉普就职于CFC———美国发展最迅速的国防合同承包公司之一。于是,博拉普运用此前积累的关系网,很快就和洛克希德·马丁公司达成了合作协议。洛克希德·马丁改进并制造军用版外骨骼HULC(全称人体通用负载装置),销售收入的一部分将作为专利权税分给Berkeley Bionics.

原本Ekso联合创始人安戈尔德只考虑了外骨骼的军事以及货物运输用途,直到他接到一个可怕的电话:他的弟弟颈部受重伤。后来经过诊断,他的弟弟为C6-C7级脊髓损伤,很不幸的失去了上肢的力量,有着一双非常粗壮的手臂,却一支铅笔都拿不起来。他的弟弟是美国海豹特种部队的队员,获得过海豹特种部队的铜质奖章,在阿富汗和伊拉克也战斗过,根据统计,美国伊拉克和阿富汗士兵中超过35%的骨骼肌肉损伤来自超负荷负重,所以也应该算是老伤新发了。

这件事对他的影响非常大,当时他就在想一个问题,就是当你只有剩5%的腿部力量时,怎样才能行走。基本上不可能,除非有一个外骨骼可以给你提供你缺少的额外动力,让你站立和恢复行走,然后你才有机会去做康复训练并真正恢复行走能力。这个想法一直在我们的脑海中,不过我们还是在继续开发货物运输外骨骼。可以说这个想法直接导致了公司后来市场方向的转变。

到目前为止,Ekso在技术方面应该没有太大的问题了,下面我们来聊聊公司的资金情况

资金来源来看,Ekso显得非常多元化:


  • DARPA的拨款




  • 洛克希德·马丁公司购买技术授权支付;




  • 斯科特·班尼斯特(互联网信息安全产品公司IronPort创始人)等人的捐赠




  • 美国国家科学基金(NSF)




  • 美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的资金




  • Ekso外骨骼设备的销售收入



我们大家都知道,很多初创公司都会或多或少的遇到过融资困难的问题,大多数会接受风险投资商伸出的援助之手,但我们很容易从上面的资金来源中发现,,Ekso Bionics却并不这样。

原因只有一个,那就是“自由”。从Cyberdyne公司的双重股权设计也可以看出,一家刚刚起步不久的公司,尤其是一家发明创新技术的公司,必然需要大量的自由,特别是像外骨骼这类高新技术一定需要有人进行正确的引导。很多风险投资公司和其他机构会干预商业决策,他们要保证自己的投资回报率,这样往往会导致很多灾难性的决定,这样的例子在硅谷不胜枚举。

回到2005年的时候,那时没人会愿意投资硬件的机器人公司,因为硬件获得回报一般需要很长的时间。所以美国现在很多优秀的硬件技术企业能挺到今天也是非常不容易的,他们应该好好感谢那些研究机构的捐助。如果不是DARPA、NSF和NIST们,很多公司可能永远都找不到资金去达成今天的成绩。所以,Ekso能有今天的成就,和其创始人的科研背景是密不可分的。

资金有了,且来源非常友善,但如果一家企业想要“追求卓越”还缺什么呢?过硬的产品!对,所以下面我们就来详细分析下Ekso家的产品到底有什麽过人之处。

首先了解下Ekso最新款的一些细节

The bionic walker
肩带
Ekso外骨骼的肩带看上去和普通背包肩带没有什么不同,但却有着根本差异:它们不会将重量转嫁到穿着者的肩膀上。它们的唯一功能就是稳定身体上半部。

躯干
背部安装有锂电池,充满电之后可供3小时行走。背部还安装着两个微处理器:一个控制38个传感器;另一个处理控制信号。

髋关节和膝盖传动装置
位于髋部和膝盖的伺服控制电动马达可模拟人体肌肉运动。感应器提供反馈信息,马达根据这些信息调节关节的弯曲和伸展。

穿/脱
外骨骼的髋关节处可旋转打开,方便用户迅速穿脱。


外骨骼通过大腿和小腿将重量传递给足部及地面,整套装置重45磅,但穿着者根本感受不到重量。

大/小腿
铝质的大腿和小腿可支撑重达220磅的病人,它们的长度可以调节,身高在5英尺2英寸和6英尺2英寸之间的人都能穿着。

脚踝
Ekso的脚踝是一个简单的被动环枢关节,为了负重,用钛制成。如果要对付斜坡,还需要设计更复杂的踝关节。

可以看到,这款外骨骼十分地简洁,底部有适合放置脚的一个平台,顺着用户的腿部有一些可调节舒适度的带子,以及支撑用户膝盖的可弯曲金属支架。配置的铰链让用户能够正常弯腰和跳跃。当外骨骼组件上升到用户臀部位置时,它有一个金属环围绕用户的整个腰部。而背包肩带则用来进一步连接用户的躯体,使设备不会剥离下来,上背部区域的一个柱状支撑杆可以吸收一定的重量,从而降低用户自身所承受的重量。值得注意的是,该套件完全是机械结构呀,无需任何电池的。

至于产品的进度,前面我们说过,Ekso公司最早推出的是ExoHiker系列,将长途承重提高至150磅/70公斤,2007年承重升级至200磅/90公斤。2009年的时候公司发布了液压传动的人类外骨骼负重系统(HULC/Human Universal Load Carrier),承重力200磅/90公斤(包括武器、弹药、电子设备、防弹衣等),大幅提高单兵作战能力。在2010年的时候才开始推出HULC民用版产品原型,即主要针对截瘫患者的下肢步态修复外骨骼系统eLEGS(Exoskeleton Lower Extremity Gait System)。该系统利用专用拐杖进行动作控制,需要理疗医生监督。2011年公司改名为Ekso Bionics,eLEGS也更名为Ekso。2012年初,第一代Ekso获得FDA批准并取得CE标识,开始进入全美主要康复中心,为脊髓损伤(SCI)患者提供步态康复训练。

实际应用方面,除了ESKO 2012年一季度上市的旗舰产品“Ekso”之外,其他类别的产品都处于开发状态,医疗个人版SCI-HOME MODEL离上市还有一段距离,这也给了Rewalk推广一定的时间优势。军用产品已经交付原型机,工业型号的开发也进入交付前状态,如果ESKO可以拿到美国国防部的订单,收入将大幅增长,军事型号的合作方是洛克希德马丁,EKSO的产品可以提供20公里的负重续航里程。

ekso 军用版

《钢铁侠》中托尼·斯塔克的金色铠甲是防弹的。Ekso虽不防弹,但这幅售价十多万美元的复杂机械依然令人惊叹。它穿脱方便,只需要几分钟。除了模仿人体构造之外,Ekso外骨骼还带有大量的自动防故障设计。

就军事应用来说,在美军TALOS项目(轻型战术突袭操作服)尚未完全实现前,Ekso家的HULC可以说是目前性能最强的单兵动力外骨骼装置,现已在美国军方全面展开试验。

估计到现在,产品介绍已经足够让大家心潮澎湃的了,且慢~光有钱和产品是不行滴,没有消费就没有再生产,企业也就无法存续下去了,企业都不在了,何来远大的理想呢?所以呢,Ekso能挺到今天,并且混得还风生水起的,肯定是有原因的。那么,是什么原因呢?两个字,“需求”,四个字,“用户体验”

测试者2

居住在圣迭戈市的一个小姑娘塔玛拉·梅纳,她19岁时发生了车祸,此后完全放弃了重新行走的希望,那时她还只是酒店管理专业的一名学生。

一天,她和男友帕特里克决定去边界另一侧墨西哥境内的罗萨里托海滩游玩。他们喝了点酒,不想冒险驾驶,于是打了一辆出租。但他们却没能抵达墨西哥。
在距离目的地约2英里的地方,他们的车撞上了一匹马。巨大的冲击力把马撞得飞了起来,掉在出租车顶部,压塌了车顶。帕特里克和司机当场死亡。梅纳从胸部以下瘫痪。她和医生谈论过干细胞治疗,但是费用很高,而且无法保证疗效。因此不得不放弃。

事故过去6年后,在加州伯克莱的一座没有什么特色的仓库里,梅纳再一次凭借自己的腿站了起来,并迈步慢慢行走。她站在铺着油毯的地板上,手持拐杖,神情坚定。她的身体下面2/3的部分被包裹在铝制金属骨架中,在脚踝、小腿、大腿、髋关节和胸的位置用魔术贴绑带固定。一位康复理疗师站在她身后,一只手抓着梅纳背后面的一块面板,另一只手抓着控制板。理疗师按下一个按钮,位于关节部位的电动小马达就朝着一个方向运动。就像正常人用肌肉运动带动关节一样,马达推动梅纳的一个髋关节向前运动,对应的膝关节和脚抬起,然后落到地板上,就这样,她迈出了小心翼翼的第一步。梅纳是Ekso Bionics的一个产品测试对象,对于梅纳,Ekso外骨骼已经帮助她实现了想再次行走的愿望。

ekso产品测试

那么,她为什么不选择同样的产品Rewalk-I或者REX呢?

理由很简单,因为EKSO更容易在不同体型和患者之间穿戴。目前,已有多家美国康复中心购买以色列装置,老实说Rewalk确实具备一些Ekso外骨骼没有的功能,比如,爬楼梯、在斜坡行走,它靠使用者的姿态启动,无需理疗师在旁边按按钮。但据使用过ReWalk-I的理疗师介绍,它穿脱起来太麻烦,要花很长时间。这显然是康复中心采购设备所必须考虑的一点。

至于Rex,新西兰的Rex Bionics公司在美国也出售了几套外骨骼,目前正向联邦食品药品管理局申请个人版的销售许可。Rex外骨骼的操纵杆安置在扶手内,操作无需手臂力量,适用于更广泛的顾客群体。但一些理疗师发现它的行走姿势更像是在滑行而不是真正的步行,从而可能限制它的治疗效果。

所以,就像京东和淘宝之间的竞争一样,有时候打败你的不是技术,而是良好的用户体验~

市场需求方面,据美国残疾统计中心的数据,超过680万的美国居民使用辅助装备行动。其中包括170万使用轮椅或代步车的患者,以及610万使用其它移动装置的用户,像拐杖、手杖和步行器等。每年有12000名的脊髓损伤患者。其中有一半的患者可能使用Ekso,另外每年还有800000的中风患者。

Craig、Mount Sinai 、Kessler以及其它的康复医院已经开始购买他们的设备,他们购买的设备一般每套可以供6-8个病人使用,设备主要还是用于康复训练,以帮助病人行走和恢复行走的能力。这对于中风的病人尤为有益,因为对于中风的病人,最好的治疗就是让他们站立并尽可能走动。那些患者穿上该设备就可以做大量的行走,从而让神经通路重新连接,可以大大提高训练的效果。

对于从军人群,有很多的老兵遭受脊髓损伤,它是退伍军人管理局(VA)系统治疗的最昂贵的病症之一,其带来的继发并发症需要花费大量的金钱。而Ekso可以帮助减少一些花费,至少可以减少系统的负担。这对各方都有益,而且当你可以重新行走后,你的生活质量也会随之提高。

工业领域,其与著名的洛克希德马丁公司合作开发了军事工业用机器人外骨骼Mantis样机发货,助力造船工人搬运重物及进行高难度工作,减少工伤事故。

民用市场方面,EKSO也有布局,尤其是在重型机械操作上,可有效的保护操作人员,这个市场是介于人工-机器人之间的“半人半机器人”模式,如果这个市场打开,那么会是另一个巨大的潜在增量。

另外EKSO还积极与美国特种部队合作开发下一代外部机械骨骼(钢铁侠)。EKSO是当前与美国特种部队合作的唯一一家企业,红色部分将是由EKSO开发。

ekso stock2015

尽管有着广泛的合作以及优秀的产品,Ekso Bionics财务状况依然不容乐观。据其披露的财报来看,公司目前市值为1.79亿美元,2014年营业收入532万美元,较2013年的330万美元,同比增长161%; 2015年半年报营业收入380万美元,同比增长68.3%。虽然公司近年来营业收入实现了快速增长,但与ReWalk相似的是,公司目前增收不增利,近年来一直处于亏损状态,2015年上半年净利润亏损976万美元。原因也很简单:FDA审批以及高强度研发费用。公司2015年上半年研发费用就达到273万美元,近年更是保持年70%左右的高度。

分析到这里,allen发现,企业光伟大是不行的,还要能够盈利,这样才能有继续生存下去,在外骨骼这片处女地上,没有谁打败谁,谁先倒下谁就失败了。

除了财务问题之外,Ekso还有很多需要努力的地方:他必须说服康复理疗师和轮椅使用者,Ekso外骨骼不仅仅是一款价格昂贵的玩具;他必须拉开与其他竞争者的差距;他必须说服美国联邦食品药品管理局(FD A)和保险公司,瘫痪者需要行走。只有解决掉这些麻烦的问题之后,它才能真正的矗立在这片土地上。

在RIM(密歇根康复中心)这里,理疗师一般强调的是自我康复。有研究发现,对于恢复了少量运动功能的病人,如果强迫他们积极使用瘫痪的肢体,可帮助形成新的神经肌肉连接。而外骨骼代劳一切,不利于迫使病人使用受伤肢体。

但是,Ekso外骨骼可以适用于那些完全失去下肢控制能力的病人。对于这种情况,任何康复治疗都没有效果,这类病人几乎无法自行进行下肢锻炼,而这对他们的长期健康非常重要,因为下肢锻炼可以预防致命的尿路感染、皮肤溃烂和心血管疾病,促进骨质密度、肌肉力量和身体灵活性。对于那些完全失去下肢运动功能的病人,外骨骼确实是有帮助的,从这个方面看,我认为这可以成为说服他们的一个很好的理由。

还有一个问题就是,目前每套外骨骼售价13万美元,只有富人才能负担,而且即使是富有的客户也会要求保险公司负担一部分。因此而获得医疗保险补偿将是一个产品畅销的先决条件。2003年上市的iBot轮椅就是一个值得引以为戒的例子。这款由著名发明家迪恩·卡门设计、强森制药制造的轮椅,可以四轮驱动、也可两轮平衡、能够帮助人站立,还能爬楼梯。问题是,它的售价高达2 .2万美元。医疗保险机构认可这款新发明,但不承认它是必须的医疗设备。因此,购买者只能获得6000美元(传统轮椅售价)的补偿。2009年,iBot被迫停产。

如果无法证明具有其他相对廉价的产品——比如站立式轮椅——无法比拟的优势,Ekso外骨骼可能面临同样的命运。因此,康复中心收集的测试数据将非常关键。

当然,最关键的问题是,轮椅用户是否想要个人外骨骼。很多脊椎受伤者经常拒绝承认他们是需要被修复的病人。有数百万人,在轮椅上活得很自在,他们认为外骨骼速度太慢,而且和轮椅相比贵得离谱

作为一家高新技术企业,不管是Ekso、ReWalk还是Rex,他们都要时刻面临着被新的技术淘汰的威胁。在范德比尔特大学,自动化专家迈克尔·戈尔德法布里用新型电池、马达、感应器和全新生产方式创造了一款轻巧、可能更廉价的外骨骼。拆开之后,它可以被装进一个小背包。这套装置结合电刺激疗法,通过穿戴者的皮肤释放微量电压,促使腿部肌肉收缩。戈尔德法布计划最早于今年夏天与制造商签订技术授权协议。他的装置已经得到了理疗师和病人的如潮好评,但是知名度远远不如其他同类产品。

ekso创始人

不管怎样,Ekso的创始人对于公司的前景还是非常乐观的,或者说是眼光非常长远。他们认为外骨骼是一个平台,配备不同的软件之后,它可以帮助中风患者重新学习行走;可以让全副武装的士兵行走如飞;可以帮助户外运动爱好者登上珠穆朗玛峰。他们想要将Ekso外骨骼开发成“未来的牛仔裤”,而不仅仅是一款单一的康复医疗设备。其实这并不是天方夜谭,他说的其实就是最近比较火的软性外骨骼。

软性外骨骼

接下来,他们需要说服人们——包括健康的普通人——他们需要这款可以让人变成“超人”的产品。医用市场还仅仅是一个开始,按照他们的设想,在未来,矿工、码头工人、建筑工人都会穿上特制的外骨骼。到那时,我们每一个人都想要拥有一副外骨骼,用于娱乐、运动。它可以让穿着者获得超人般的力量和耐力。

对于未来,Ekso Bionics的创始人们喜欢把他们的发明和1903年上市的福特A型车相比。“有很多昂贵的低品质机器,在演示的时候看上很不错,就像A型车一样,”内森·哈尔丁说,“但大家真正想要开的是廉价又实用的‘T型车’,一旦成功,将开辟一个新的市场。”

就当前来看,如果Ekso医用设备真的能够减少继发性并发症,我认为这是对于每个人,医院,健康保险公司都有好处,可以节省金钱,而患者可以变得更健康,获得更好的生活质量,这对大家都是有利的。
而Ekso公司针对工业领域开发的Ekso Works 套装也将在2016年以数万美金的售价正式投入市场,有金融分析师认为这款设备的价格将为12000美元。

Ekso Bionics 希望在几年之内,这款套装将和其他主要建筑公司带到工地上的大型工具一样成为普遍存在的设备。如果 Ekso Bionics 公司的预测是正确的,Ekso Works 将给公司带来丰厚的利润:在过去的十年中,这是一个可望而不可及的目标。

所以,从积极的角度来看,Ekso的创始人们是拥有他们自信的资本的,也许将来,我们真的会需要这么一套专业的“牛仔裤”——实用、漂亮、呈流线型,甚至可以穿着它跑马拉松,或是攀登其力马扎罗山,因为技术的发展永远是难以预料的。

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