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三星高调入局背后,做好外骨骼机器人有多难?

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医疗健康
作者:肖伞伞
编辑:刘聪 2022-05-16 23:18
携巨资闯入的三星,自然雄心勃勃。

3月4日,北京冬残奥会火炬传递的最后一天,火炬手杨淑亭身穿下肢外骨骼机器人惊艳亮相。这是她因车祸胸部以下高位截瘫11年后首次站立行走。结构复杂的机械机构,和火炬手达成一种和谐的“共生”关系,帮助截瘫患者重新站立行走。

一时间,外骨骼机器人被推到了聚光灯下,在一级市场中的风光度也大大提升。

事实上,外骨骼技术并非新鲜事。上世纪 60 年代,在美国国防部支持下,通用电气和康奈尔大学开始了外骨骼的技术研发。他们打造出了一款外骨骼原型机,用来帮军人搬抬重物,能将人的力量放大 25 倍。

随着产学研的加速布局,骨骼机器人从军用走向商用,在医疗康复场景中不断开花。三星也按捺不住自己的机器人梦,或于近日推出首款商用的可穿戴外骨骼机器人。早在2019年初,三星就展示了外骨骼机器人GEMS Hip,针对行动不便、伤患复健者,能够提供下肢动作辅助功能。更在去年8月,三星集团宣布投资240兆韩元(相当于2050亿美元),提升机器人产业等新领域的竞争力。

携巨资闯入的三星,自然雄心勃勃。据外媒报道,三星GEMS Hip外骨骼机器人改良款预计销量在3万台左右。然而承载这一期望的外骨骼机器人,在技术端、应用端仍有诸多难题待解。

技术难题:意图获取

外骨骼的定义最早来自动物,即外部的骨骼。这是一种能够提供对生物柔软内部器官起到构型、支撑和保护作用,并能介导运动的坚硬的外部结构。

某种程度而言,外骨骼机器人实质是一种需要与人体接触的可穿戴“人工智能型”装置,按照人体形态,加装一套类似人体骨骼的机电动力装置,其原理是,通过传感器收集人体意图,从而准确获得人体的意图,遵循人的意愿协调地助力人进行各类运动。

 然而,如何准确无误地获取穿着者的意图,成为困扰外骨骼机器人的一大难题。

当下,外骨骼机器人的控制系统主要通过直接或间接两种方式获取人体意图。直接获取是从人体各类生物信号或人和机器人之间的交互力获取,其中利用肌电信号收集并分析操作者意图较为常见。这种直接获取方式对机器人传感器要求极高,受限于肌电信号的数据噪音、相关建模和校准的难度都极其高。

间接获取则通过外骨骼关节获取数据、预估操作者意图然后放大运动效果即通过外骨骼硬件检测信号来预判人类意图(人要做出相应的动作肌肉会有相应的变化)。这种方式的弊端就是有可能无法区分操作者的力和外力,一旦判断出错,极大概率导致外骨骼机器人不稳定或者失控。

驱动问题,也一直困扰着外骨骼机器人。现行驱动主要有电力驱动、液压驱动、气动等方案,但各有优劣势。气压驱动体积小、成本低、操作简便,但精度不高、难以控制且移动范围受限;液压驱动传动平稳、能动较高、安全性高,但结构复杂、重量较大、从而成本较高。

目前,应用于康复外科的外骨骼机器人多为电机驱动,这一方式控制模式相对简单、响应快、控制精度易于保证、使用维护方便、信号检测和传递处理方便、驱动效率高、成本较低。知乎博主“星生号”曾撰文指出,从外骨骼机器人的应用角度出发,要求驱动系统的体积小且质量轻,在外骨骼机器人负重的情况下,如果要实现较大的动力驱动,则选取的电动机尺寸也会偏大,不利于整体的轻量化,而且也会影响机构的灵活性。

传感系统、控制系统、驱动系统作为外骨骼机器人的三大核心系统,每个系统都至关重要,也存在着相应的技术难点,影响外骨骼机器人的形态、反应速度、随动能力、舒适程度等性能特征。

如何突破种种技术瓶颈,成为外骨骼机器人企业的必答题。

商业化难题:成本居高不下

当下,外骨骼机器人市场呈现着吊诡一幕:一方面是嗷嗷待哺的需求端,一方面是持续亏损的企业。

在需求端,外骨骼机器人曾让厂商们相信会有一个美好的商业化未来。外骨骼机器人目前最成熟的应用领域是在医疗康复,其可以帮助中风、脑瘫、帕金森等行动能力受到影响的患者实现更有效的康复训练。2020年世界卫生组织预估,全球大约有10亿残障人士,其中80%生活在发展中国家。

如此庞大的用户群体,自然撩拨了资本的神经。国际研究机构ABI认为外骨骼将在近十年时间实现快速增长,2028年之前有望实现全球性规模化增长。其中,2025年至2028年为高速增长阶段,预估3年复合年均增长率为47.7%,2028年全球市场规模将达58亿美元。

然而,抢占市场殊为不易,已上市的企业日子则过得凄风苦雨,大多企业几近于出血搞研发,盈利路漫漫。

目前全球共有5家专营外骨骼机器人的上市企业,其中美国Ekso Bionics、日本CYBERDYNE和以色列ReWalk已发展近20年,上市7年,但因外骨骼机器人研发投入成本高昂且设备销售价格高,导致回报周期较长,在亏损边缘持续徘徊。

对于未盈利企业来说,通过二级市场补血不失为一个策略。头部企业Ekso Bionics、CYBERDYNE以及ReWalk先后于2014年完成上市,股价大起大落,ReWalk更是由于持续大额亏损,股价一路下挫。

加拿大Bionik Laboratories于2015年在美股场外市场OTCQX上市;Sarcos于2021年9月通过特殊目的收购公司(SPAC)在美国纳斯达克证券交易所上市。即使上市后,各大企业仍不可避免股价波动下滑。

高昂的价格是挡在普通人面前的第一道门槛,公开资料显示,ReWalk6.0 系统的售价约是7.7万美金,Ekso外骨骼售价每套14万美金,而Cyberdyne 的产品售价更是高达20多万美金。即便厂商考虑到普通人的处境,采用租赁模式,但价格仍旧不怎么“亲民”。

加州大学伯克利分校机器人及人体工程学研究室主任Kazerooni曾对媒体指出,目前的外骨骼机器人设备通常在 10 万美元以上,而设备的价格下降到1万美元甚至更低才能让更多人使用得起外骨骼机器人。

这成为国内外企业共通的问题。据媒体报道,目前我国外骨骼机器人的单次使用价格约在200——300元/半小时,一台设备的售价约在50——200万元之间,价格虽比国外略低,但可负担的老年患者或医养机构仍是少数。此外,外骨骼机器人属于二类医疗器械,且普及程度不强。

如何削减成本,保证产品质量至关重要。产品价格的下行仰仗于技术创新与整个产业链日渐成熟、入局者增加。中国外骨骼机器人的研究始于2000年左右,已经涌现了大艾、迈步、尖叫科技、傅利叶智能、程天科技等众多明星企业。

2018年6月,大艾机器人获得中国首个外骨骼机器人NMPA注册证,意味着中国外骨骼机器人在医疗康复领域正式进入商业化阶段,产品可投入市场进行销售。此后,各大厂商也在加大研发投入,不甘人后。程天科技于2021年成为业内首个获批适用范围为中枢神经病变(涵盖截瘫、偏瘫、脑瘫等患者)的下肢外骨骼机器人NMPA注册证的创新医疗机器人公司。

新产品不断问世的过程中,所有的外骨骼机器人厂商都在探索中寻找一个稳定的盈利模式。而这个美好的商业化未来,究竟要等多久,仍要画一个问号。

参考资料:

2021年外骨骼机器人市场分析报告

知乎博主:星生号

各大企业公开资料

本文来源于亿欧网,原创文章,作者:肖伞伞。
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