一、從科幻到現實(shí)——外骨骼的發(fā)展史

1959年，科幻小說(shuō)作家羅伯特?海因萊因在他的著(zhù)名科幻小說(shuō)《星船傘兵》中，提出了“動(dòng)力裝甲”這一科幻概念，后來(lái)成為了機械外骨骼的雛形。外骨骼的概念來(lái)源于節肢動(dòng)物為保護和支撐身體、幫助行動(dòng)的堅硬外部結構。而人類(lèi)則能通過(guò)機械傳動(dòng)和控制系統仿生出機械外骨骼，讓人們跑得更快、跳得更高、負重更多。既能夠幫助改善行動(dòng)不便的人們提高行動(dòng)能力，也可以讓正常人擁有更強的力量與速度，完成更加困難的戰斗或工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。

節肢動(dòng)物的外骨骼（X光）

在這部科幻小說(shuō)的啟發(fā)下，美國和日本在1960年后分別開(kāi)啟了機械外骨骼的研究。美國由軍方主導研發(fā)，日本則直接從外骨骼的商業(yè)用途入手，關(guān)注幫助殘疾人和老年人進(jìn)行日常生活和生活（散步、爬樓梯、負載等）。

20世紀60年代，美國GE公司就研發(fā)了一種基于主從控制的外骨骼原型機哈迪曼（Hardiman）外骨骼手。其設計目的是協(xié)助使用者在外太空、核工廠(chǎng)、水下等進(jìn)行工作。該公司第一個(gè)提出并開(kāi)展增強人體機能的主動(dòng)助力型機械骨骼機器研究。其機械骨骼體積巨大且笨重，安全性能低，也只能取代單只手功能。

1991年，日本神納川理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了一套獨立的可穿助力外套，稱(chēng)為“動(dòng)力輔助服”，該產(chǎn)品使用肌肉壓力傳感器，分析佩戴者的運動(dòng)情況，通過(guò)微型氣泵、便攜式鎳鎘電池及嵌入式微處理器，提供足夠的助力。開(kāi)發(fā)該產(chǎn)品是專(zhuān)為護士研制，可使人的力量增加0.5-1倍。

2002年，美國SARCOS公司推出世界上第一件機械外骨骼衣（XOS）。穿上“XOS”時(shí)，人們能用負重9kg的力量舉起90kg的重物，并且能連續舉50-500次。但“XOS”有一個(gè)重大缺陷：自帶的電池只能使用40分鐘，需要拖著(zhù)一條電線(xiàn)隨時(shí)充電。

軍用外骨骼（來(lái)源：華泰證券研究所）

2010年，伯克利仿生研究所研制出的一種由電池提供動(dòng)力的機械骨骼系統“eLEGS“。這是世界上第一款不使用繩或鏈達到自然行走目標的外骨骼，使用者通過(guò)手臂姿勢控制，向前移動(dòng)右拐杖，則左腿隨之向前移動(dòng)，幫助截癱患者擺脫輪椅以自然步態(tài)行走。

eLEGS恢復流程

在醫療方面，步態(tài)訓練是下肢功能障礙康復訓練的主要方式，機械骨骼可以應用在神經(jīng)康復領(lǐng)域的特定訓練中，能夠保證高效的康復訓練，因此非常適合老年人和殘疾人使用。在機器人外骨骼的幫助下，中風(fēng)患者可以比傳統的物理治療更快的恢復手臂運動(dòng)能力。傳感器檢測肌肉力量、運動(dòng)范圍和腦活動(dòng)，還能把患者的進(jìn)展告知治療師。這類(lèi)機器還有助于重新訓練大腦，使健康的區域能夠補償損傷的區域。機器人系統還幫助患者重新學(xué)習步行和其他運動(dòng)技能。

二、全球領(lǐng)先的外骨骼公司，他們發(fā)展的都還好嗎？

根據研究公司Research and Markets發(fā)布的報告，到2023年，醫療外骨骼行業(yè)的全球市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)5.7億美元。我國每年因為卒中、腦癱、意外導致癱瘓無(wú)法行走患者不計其數。據統計，我國脊髓損傷患者約有530萬(wàn)人，腦癱患者600多萬(wàn)。近3億老年人中20%有行動(dòng)障礙。然而，我國康復機構和人才都存在巨大的缺口。國內的康復治療師只有11000人，而美國有超過(guò)20萬(wàn)；國內的康復診所只有屈指可數的50家-60家，而在美國大約有3萬(wàn)家到7萬(wàn)家，這些都為外骨骼在康復醫療中的應用提供了廣闊的市場(chǎng)增長(cháng)空間。

目前世界上外骨骼機器人的代表性公司有美國Ekso Bionics，以色列ReWalk，日本Cyberdyne，和新西蘭Rex Bionics Limited等。

1. Ekso Bionics

2004年，加州大學(xué)伯克利分校機器人和人類(lèi)工程實(shí)驗室為美國國防部高級計劃研究局開(kāi)發(fā)軍用仿生外骨骼，即人類(lèi)通用負載載體HULC（Human Universal Load Carrier），在實(shí)驗中發(fā)現機器人能耗存在很大的問(wèn)題。我們站著(zhù)不做什么并不會(huì )覺(jué)得疲憊，那么為什么我們的外骨骼僅僅是站立就需要消耗那么多的能量？那么肯定有一種方式，可以像我們的骨骼結構那樣支持我們的重量，不用使用驅動(dòng)器，也無(wú)須消耗大量的能量。

后來(lái)他們找到了被稱(chēng)為ExoHiker的技術(shù)，按照一定的順序組成的關(guān)節，但它可以通過(guò)關(guān)節將重量轉移到地面，同時(shí)結合重力與能源回收技術(shù)。以這一項關(guān)鍵技術(shù)的突破成就了現在的公司。

ExoHiker專(zhuān)利（來(lái)源：思宇研究院整理）

后來(lái)，Ekso聯(lián)合創(chuàng )始人安戈爾德的弟弟不幸頸部受傷，C6-C7級脊髓損傷使他失去了下肢力量。安戈爾德下定決心要造一臺外骨骼機器人，幫助他弟弟重新站起來(lái)。這也是促成他和公司設計開(kāi)發(fā)用于醫療的機器人外骨骼的原因。

但早2005年的時(shí)候，很少有人愿意投資一家回報周期長(cháng)的硬件機器人公司。好在Ekso與國防部緊密合作，公司先后獲得了美國國防部高級計劃研究局、美國國家科學(xué)基金和美國國家標準與技術(shù)研究院等多家美國研究院的資助。

在HULC的基礎上，公司與洛克希德馬丁合作于2009年推出針對脊髓損傷引起的截癱患者的下肢步態(tài)修復外骨骼系統eLEGS。2011年，Berkeley Bionics公司更名為Ekso Bionics，其產(chǎn)品eLEGS也更名為Ekso。

強大的國防背景以及深厚的學(xué)術(shù)力量使得Ekso Bionics發(fā)展迅速，2012年，Ekso在美國注冊為醫院使用的l類(lèi)設備，并獲得了歐盟的CE認證。2013年，Ekso Bionics增加了可變輔助系統Variable Assist?，這是一種智能和自適應軟件，能夠為身體任何一側提供適應性的功率，并由此產(chǎn)生了最新型產(chǎn)品Ekso GT?。

2014年，Ekso Bionics在美國納斯達克上市。2016年Ekso GT獲得了FDA的認證，成為首個(gè)獲得FDA許可的用于中風(fēng)及偏癱患者的外骨骼設備。Ekso Bionics 2017年總收入為740萬(wàn)美元，2018年收入至1130萬(wàn)美元同比增長(cháng)54%，2018年共售出90臺Ekso GT?，比2017年的61臺增加了近50%。

迄今為止，Ekso已幫助全球超過(guò)200家康復機構的患者，讓患者的步行超過(guò)9000萬(wàn)步。但Ekso的外骨骼每套14萬(wàn)美元的超高售價(jià)還是讓無(wú)數中風(fēng)及偏癱患者想擁有屬于自己的外骨骼機器人的夢(mèng)想破滅，公司產(chǎn)品還是主要應用于康復機構。

Ekso GT

2. ReWalk Robotics

ReWalk Robotics成立于2001年，是一家以色列醫療設備公司，致力于設計開(kāi)發(fā)和商業(yè)化外骨骼，公司旗下的ReWalk外骨骼機器人是全球首家獲得FDA認證的外骨骼機器人，也是全球民用外骨骼系統龍頭。

公司創(chuàng )始人Amit Goffer在1997年因為一場(chǎng)車(chē)禍不幸四肢癱瘓。在住院的9個(gè)月里，他不得不忍受巨大的痛苦，學(xué)習使用輪椅和鍛煉肌肉。之后，Goffer和幾個(gè)朋友、同事以及和他一樣的癱瘓人士組成了一個(gè)小團隊，在自己的車(chē)庫中，花了6年打造出 ReWalk 的首款原型。2006年，他們進(jìn)入以色列理工大學(xué)孵化器。在這里，設備被進(jìn)一步改良，并開(kāi)始推向臨床進(jìn)行長(cháng)期測試。2011年，ReWalk推出ReWalkRehabilitation供美國和歐洲的醫院和康復中心使用。2012年末ReWalk Personal獲得歐洲CE認證，并在2014年6月獲得美國FDA批準上市。

公司旗下共有兩款產(chǎn)品，分別是ReWalk Personal和ReWalk Rehabilitation，前者主要適合家庭、工作或社交環(huán)境中使用，通過(guò)傳感器和監控器，使患者站立、行走和爬樓。后者則是用于臨床修復，為癱瘓患者提供物理治療方式，包括減緩癱瘓導致的肢體疼痛、肌肉痙攣、幫助腸道消化系統、加速新陳代謝等。

Rewalk利用用戶(hù)自身重心的微妙變化為控制運動(dòng)，上半身向前傾斜時(shí)，邁出第一步。由于外骨骼支持自己的重量，用戶(hù)不消耗不必要的能量而走。用戶(hù)可以將自己的體重轉移到一邊來(lái)實(shí)現轉向。Rewalk還允許用戶(hù)坐下和站立，在某些情況下，可以走上或走下樓梯。用戶(hù)可以獨立操作設備，也能夠自己穿上和脫掉設備。Rewalk可以以自然步態(tài)行走，并保持功能性的行走速度，這是其他外骨骼設備所不具備的。

ReWalk公司于2014年9月在納斯達克上市，上市第一個(gè)月受到了市場(chǎng)追捧，股價(jià)創(chuàng )新高，最高超過(guò)30美元，較發(fā)行價(jià)上漲超過(guò)3倍，動(dòng)態(tài)PS達到80倍。但由于持續大額的虧損以及遲遲打不開(kāi)市場(chǎng)，之后股價(jià)就開(kāi)始一路下挫。

ReWalk營(yíng)業(yè)收入增速較快，但凈利潤虧損卻也在逐年增加，股票近幾年也一直處于低迷態(tài)勢，市值也由最高的2億美元降為最低的1683萬(wàn)美元，現在回升至2019萬(wàn)美元左右。這一部分原因是由于公司對研發(fā)持續高強度投入，14年研發(fā)費用同比增長(cháng)2.5倍，達到856萬(wàn)美元，研發(fā)強度(以研發(fā)費用/營(yíng)業(yè)收入計算，考慮了企業(yè)間個(gè)體差異，衡量了企業(yè)的研發(fā)投入水平)自2014年上市以來(lái)保持在200%以上的高水平，當下的研發(fā)是為了若干年后的產(chǎn)品投放，高研發(fā)強度意味著(zhù)公司對未來(lái)產(chǎn)品的市場(chǎng)容量和銷(xiāo)售推廣充滿(mǎn)信心。

2013年ReWalk已經(jīng)明確表示安川電機將成為公司在亞洲的最主要（目前是唯一的）的合作伙伴，并將成為包含中國地區在內的亞洲區的最大代理商。這樣 ReWalk 就可以借助安川遍布亞洲的營(yíng)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò )銷(xiāo)售自己的產(chǎn)品而不必花費太多的力量自行鋪設營(yíng)銷(xiāo)渠道。截止到2018年11月，ReWalk全球安裝量已達到500臺，這些設備中的大多數是家庭和社區中脊髓損傷患者使用的個(gè)人系統，而其他設備則位于康復中心，以評估和培訓潛在的新設備所有者。

3. Cyberdyne

2001年，日本筑波大學(xué)三階吉行（Yoshiyuki Sankai）教授和他的研究小組才正式推出了HAL（Hybrid Assistive Leg）系列混合助力腿外骨骼機器人。這是一種用戶(hù)全身都可以穿戴外骨骼機器人，下肢外骨骼用于幫助腿部無(wú)力的使用者提供腿部助力，手臂外骨骼可以幫助使用者抬起100kg的重物，針對使用者對機器人助力的不同要求。

2004年，在日本政府資助下，Sankai教授創(chuàng )立了Cyberdyne公司，旗艦產(chǎn)品HAL于2005年首次亮相于愛(ài)知世博會(huì )，是日本最著(zhù)名的機器人外骨骼。2008年HAL正式發(fā)布，2013年成為全球首個(gè)獲得安全認證的機器人外骨骼產(chǎn)品。2014年3月，Cyberdyne在東京證券交易所創(chuàng )業(yè)板上市，是日本首家生產(chǎn)醫用及社會(huì )福利事業(yè)用機器人的公司上市。公司2013年接收到診所使用的CE認證，積極推廣在歐洲的市場(chǎng)，2018年獲得美國FDA認證。

公司創(chuàng )始人三階吉行通過(guò)特殊的雙重股權設計牢牢控制著(zhù)公司，以確保其技術(shù)只用于和平、非致命性和非軍事的用途。當三階吉行第一次尋找投資者時(shí)，他通過(guò)私下配售沒(méi)有投票權的股票完成了5500萬(wàn)美元的融資。公司發(fā)行了常規股票和特殊股票兩類(lèi)股權，讓三階吉行雖然只持有39.7%的流通股，但卻擁有86.4%的投票權，使公司很難成為被收購的目標。目前，公司市值大約為14億美元，尚未開(kāi)始盈利。其2015年財年營(yíng)業(yè)收入580萬(wàn)美元，同比增長(cháng)26.6%，凈利潤與其他外骨骼開(kāi)發(fā)公司相似，仍然處于虧損狀態(tài)。

相對來(lái)說(shuō)，Cyberdyne公司的毛利率水平較高，但由于很多支出用在了標準認證等項目，同時(shí)公司的研發(fā)強度一直處于高位，導致?tīng)I業(yè)費用較高，隨著(zhù)認證的通過(guò)以及消費市場(chǎng)的擴大，公司未來(lái)是有望達成盈虧平衡的。同時(shí)，為用作醫療設備的HAL爭取到更多的監管機構批準，使HAL被納入保險責任范圍，并擴大該技術(shù)的用途。舉例來(lái)說(shuō)，德國已經(jīng)批準HAL用于治療受傷的工人，并允許工人使用工傷保險來(lái)支付費用。

Cyberdyne的核心產(chǎn)品HAL發(fā)展至今經(jīng)歷了5代產(chǎn)品，在2010年，筑波大學(xué)的科研部門(mén)提出了以仿生人體工學(xué)的理念來(lái)設計外骨骼，HAL的設計更強調與人體的整合度，他們認為HAL系統應當更像人體的自然延伸而不僅僅是一種助力工具。HAL-5裝有混合控制系統，無(wú)論是室內還是戶(hù)外均有不錯表現，日常生活中的一切活動(dòng)幾乎都可以借助HAL-5完成。穿上Cyberdyne這套外骨骼后完全不會(huì )感覺(jué)到其130磅（約59公斤）的自重，因為外骨骼會(huì )幫助你承受這些重量。

在日本國內，HAL已售出400多套，價(jià)格大約在15萬(wàn)美元。其中，HAL-3僅提供腿部功能，而HAL-5能夠提供手臂、腿和軀干等全方位外骨骼功能。未來(lái)，Cyberdyne還將開(kāi)發(fā)只戴在肘部、膝蓋等特定部位的機器人套裝以及兒童可穿戴的機器人套裝。由于產(chǎn)品不菲的使用成本，所以公司使用租借的方式來(lái)分散化高昂的費用。據Cyberdyne官方數據，自2010年以來(lái)，東京地區的150間醫院和療養院已經(jīng)累計租借了330套HAL，使用者支付5200美元左右的初期導入費（相當于初裝費用的概念）后，就能夠以每月大約1700美元的價(jià)格（租賃時(shí)間如果超過(guò)一年將獲得更低廉得月租費用）進(jìn)行租賃使用，這種靈活的租賃方式受到了醫療機構的歡迎。

4. 新西蘭Rex Bionics Limited

Rex Bionics Limited (“RBL”)是一家關(guān)注于研發(fā)、生產(chǎn)和商業(yè)化針對下肢功能障礙病人的外骨骼機器人的創(chuàng )新型公司。目前總部在英國倫敦，生產(chǎn)和研發(fā)基地位于新西蘭奧克蘭，全球服務(wù)中心位于英國什魯斯伯里。2014 年REX 公司被在倫敦交易所AIM上市的Union MedTech Plc “反向收購”，公司名字正式改名為“Rex Bionics”；同時(shí)完成了融資1000萬(wàn)英鎊，開(kāi)始商業(yè)化Rex相關(guān)技術(shù)，并法律意義上成為一家英國公司。2016年中國美安醫藥完成了對Rex的股權投資，并將在中國實(shí)現Rex的商業(yè)化。

公司目前主要提供兩大Rex系列產(chǎn)品：REX-REHAB以及REX-P(Personal)，分別針對專(zhuān)業(yè)的神經(jīng)康復訓練中心和個(gè)人家里護理市場(chǎng)；前者針對神經(jīng)康復中心提供了可根據不同病人提供快速調整的功能，一般不會(huì )需要超過(guò)5分鐘，這個(gè)功能對于康復訓練中心使用場(chǎng)景特別重要，因為會(huì )有數量龐大的不同體型和類(lèi)型的病人康復訓練中心接受康復訓練；Rex-P主要這對個(gè)人家庭使用，所以它的大小和特定參數是針對個(gè)人進(jìn)行定制化設定的，所以不能輕易更改，但是提供了增加額外能力的擴展性，能夠個(gè)性化符合個(gè)人的需求。

Rex是目前市場(chǎng)上唯一一款不需要拐杖支持的外骨骼機器人。這被認為給公司的產(chǎn)品提供了兩大關(guān)鍵性的競爭優(yōu)勢：第一，它使得Rex可以在站立的同時(shí)解放上肢和雙手，可以同時(shí)利用雙手進(jìn)行工作或者其他活動(dòng)，尤其是在直立狀態(tài)下安全地進(jìn)行相對復雜的物理康復訓練，進(jìn)而增強他們的核心機能和上肢功能；在坐立狀態(tài)下，這種類(lèi)型、強度和功能的物理康復訓練的實(shí)現是不可能的；第二，對于大量的嚴重病患，無(wú)法使用拐杖或相應手部支撐，Rex成為他們唯一的選擇，不管是站立、行走、直立手部工作、生活操作、亦或是物理康復訓練等等。

三、醫療外骨骼商業(yè)化之路曲折，工業(yè)領(lǐng)域柳暗花明？

無(wú)論國內外企業(yè)，在醫用外骨骼商業(yè)化落地的過(guò)程中都不太順利。不過(guò)即使是手術(shù)機器人王者達芬奇，在上市的前幾年也是嚴重虧損，直到第五年才迎來(lái)業(yè)績(jì)小爆發(fā)，并經(jīng)歷了15年的起伏，才處于如今的壟斷地位。而各家外骨骼企業(yè)至今也仍在持續虧損徘徊，最大的問(wèn)題在于銷(xiāo)量不振與成本控制，這也是高新技術(shù)產(chǎn)品在初期的通病。他們共同的缺點(diǎn)是：太貴了。

ReWalk6.0 系統的售價(jià)約是7.7萬(wàn)美金，Ekso外骨骼售價(jià)每套14萬(wàn)美金，而Cyberdyne 的產(chǎn)品售價(jià)更是高達20多萬(wàn)美金，即使這些公司都采用了租賃的商業(yè)模式，但是租金依然不菲。在2016年第四季度，Rewalk和Cyberdyne兩家公司的股票雙雙遭遇暴跌，市值縮水三分之一。而于此同時(shí)，人工智能成為當年的投資熱點(diǎn)。這兩家公司用十幾、二十幾年的時(shí)間構建了復雜指令算法的交互程序，學(xué)習型算法在半個(gè)小時(shí)內就可以超越這些積累。人工智能技術(shù)正在沖擊著(zhù)傳統的外骨骼產(chǎn)品，產(chǎn)品迭代頻率加快，國際上的大企業(yè)并沒(méi)有很多的先發(fā)優(yōu)勢，時(shí)刻面臨技術(shù)淘汰的危險。

對于更多的國內外骨骼初創(chuàng )企業(yè)而言，在商業(yè)化的過(guò)程中，不僅僅要在成本上下功夫削減，還要解決應用場(chǎng)景的多元化和康復體系的建設?？傊?，目前外骨骼機器人行業(yè)還沒(méi)有形成穩定的盈利模式，無(wú)論國內外都在曲折中探索發(fā)展。

未來(lái)，外骨骼的研發(fā)方向將是重量和尺寸的進(jìn)一步減小，優(yōu)化機械結構與控制系統，電池更加高效，將金屬框架替換為織物和人造肌肉等柔性外骨骼。同時(shí)，外骨骼的工業(yè)化應用也正在積極探索，比如HCL已被用于福島核電站的救助現場(chǎng)。工業(yè)外骨骼公司2019年以來(lái)的投資熱度正在快速上升，大有超越醫用外骨骼的趨勢。我國醫用外骨骼機器人公司傅利葉智能前CTO徐振華于去年年初創(chuàng )辦了專(zhuān)注于工業(yè)外骨骼機器人研發(fā)的傲鯊智能公司，開(kāi)辟更廣闊的外骨骼市場(chǎng)。鐵甲鋼拳也正在與京東合作開(kāi)發(fā)外骨骼在倉儲物流過(guò)程中的應用。

醫用外骨骼機器人毛利率相對較高，售價(jià)可以達到工業(yè)外骨骼機器人的3-4倍，但同時(shí)其市場(chǎng)推廣受到醫療設備審批認證的限制。相對醫用外骨骼機器人需要二類(lèi)醫療器械認證，工業(yè)外骨骼機器人沒(méi)有醫用那樣強制的認證要求，更多考慮的是耐久性、EMC等基礎測試?；蛟S通過(guò)外骨骼在工業(yè)制造、消防、物流等更多民用領(lǐng)域的推廣，能夠讓這項技術(shù)真正找到盈利的方向。

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