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一、從科幻到現實——外骨骼的發(fā)展史

1959年，科幻小說作家羅伯特?海因萊因在他的著名科幻小說《星船傘兵》中，提出了“動力裝甲”這一科幻概念，后來成為了機械外骨骼的雛形。外骨骼的概念來源于節(jié)肢動物為保護和支撐身體、幫助行動的堅硬外部結構。而人類則能通過機械傳動和控制系統(tǒng)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不便的人們提高行動能力，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(zhàn)斗或工業(yè)生產任務。

節(jié)肢動物的外骨骼（X光）

在這部科幻小說的啟發(fā)下，美國和日本在1960年后分別開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，關注幫助殘疾人和老年人進行日常生活和生活（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。其設計目的是協助使用者在外太空、核工廠、水下等進行工作。該公司第一個提出并開展增強人體機能的主動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，日本神納川理工學院開發(fā)了一套獨立的可穿助力外套，稱為“動力輔助服”，該產品使用肌肉壓力傳感器，分析佩戴者的運動情況，通過微型氣泵、便攜式鎳鎘電池及嵌入式微處理器，提供足夠的助力。開發(fā)該產品是專為護士研制，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，人們能用負重9kg的力量舉起90kg的重物，并且能連續(xù)舉50-500次。但“XOS”有一個重大缺陷：自帶的電池只能使用40分鐘，需要拖著一條電線隨時充電。

軍用外骨骼（來源：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力的機械骨骼系統(tǒng)“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，使用者通過手臂姿勢控制，向前移動右拐杖，則左腿隨之向前移動，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(yī)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康復領域的特定訓練中，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，中風患者可以比傳統(tǒng)的物理治療更快的恢復手臂運動能力。傳感器檢測肌肉力量、運動范圍和腦活動，還能把患者的進展告知治療師。這類機器還有助于重新訓練大腦，使健康的區(qū)域能夠補償損傷的區(qū)域。機器人系統(tǒng)還幫助患者重新學習步行和其他運動技能。

二、全球領先的外骨骼公司，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(yī)療外骨骼行業(yè)的全球市場價值將超過5.7億美元。我國每年因為卒中、腦癱、意外導致癱瘓無法行走患者不計其數。據統(tǒng)計，我國脊髓損傷患者約有530萬人，腦癱患者600多萬。近3億老年人中20%有行動障礙。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20萬；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3萬家到7萬家，這些都為外骨骼在康復醫(yī)療中的應用提供了廣闊的市場增長空間。

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，加州大學伯克利分校機器人和人類工程實驗室為美國國防部高級計劃研究局開發(fā)軍用仿生外骨骼，即人類通用負載載體HULC（Human Universal Load Carrier），在實驗中發(fā)現機器人能耗存在很大的問題。我們站著不做什么并不會覺得疲憊，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，不用使用驅動器，也無須消耗大量的能量。

后來他們找到了被稱為ExoHiker的技術，按照一定的順序組成的關節(jié)，但它可以通過關節(jié)將重量轉移到地面，同時結合重力與能源回收技術。以這一項關鍵技術的突破成就了現在的公司。

ExoHiker專利（來源：思宇研究院整理）

后來，Ekso聯合創(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。這也是促成他和公司設計開發(fā)用于醫(yī)療的機器人外骨骼的原因。

但早2005年的時候，很少有人愿意投資一家回報周期長的硬件機器人公司。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、美國國家科學基金和美國國家標準與技術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(tǒng)eLEGS。2011年，Berkeley Bionics公司更名為Ekso Bionics，其產品eLEGS也更名為Ekso。

強大的國防背景以及深厚的學術力量使得Ekso Bionics發(fā)展迅速，2012年，Ekso在美國注冊為醫(yī)院使用的l類設備，并獲得了歐盟的CE認證。2013年，Ekso Bionics增加了可變輔助系統(tǒng)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，并由此產生了最新型產品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，成為首個獲得FDA許可的用于中風及偏癱患者的外骨骼設備。Ekso Bionics 2017年總收入為740萬美元，2018年收入至1130萬美元同比增長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200家康復機構的患者，讓患者的步行超過9000萬步。但Ekso的外骨骼每套14萬美元的超高售價還是讓無數中風及偏癱患者想擁有屬于自己的外骨骼機器人的夢想破滅，公司產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(yī)療設備公司，致力于設計開發(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(tǒng)龍頭。

公司創(chuàng)始人Amit Goffer在1997年因為一場車禍不幸四肢癱瘓。在住院的9個月里，他不得不忍受巨大的痛苦，學習使用輪椅和鍛煉肌肉。之后，Goffer和幾個朋友、同事以及和他一樣的癱瘓人士組成了一個小團隊，在自己的車庫中，花了6年打造出 ReWalk 的首款原型。2006年，他們進入以色列理工大學孵化器。在這里，設備被進一步改良，并開始推向臨床進行長期測試。2011年，ReWalk推出ReWalkRehabilitation供美國和歐洲的醫(yī)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，通過傳感器和監(jiān)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(tǒng)、加速新陳代謝等。

Rewalk利用用戶自身重心的微妙變化為控制運動，上半身向前傾斜時，邁出第一步。由于外骨骼支持自己的重量，用戶不消耗不必要的能量而走。用戶可以將自己的體重轉移到一邊來實現轉向。Rewalk還允許用戶坐下和站立，在某些情況下，可以走上或走下樓梯。用戶可以獨立操作設備，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，上市第一個月受到了市場追捧，股價創(chuàng)新高，最高超過30美元，較發(fā)行價上漲超過3倍，動態(tài)PS達到80倍。但由于持續(xù)大額的虧損以及遲遲打不開市場，之后股價就開始一路下挫。

ReWalk營業(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1683萬美元，現在回升至2019萬美元左右。這一部分原因是由于公司對研發(fā)持續(xù)高強度投入，14年研發(fā)費用同比增長2.5倍，達到856萬美元，研發(fā)強度(以研發(fā)費用/營業(yè)收入計算，考慮了企業(yè)間個體差異，衡量了企業(yè)的研發(fā)投入水平)自2014年上市以來保持在200%以上的高水平，當下的研發(fā)是為了若干年后的產品投放，高研發(fā)強度意味著公司對未來產品的市場容量和銷售推廣充滿信心。

2013年ReWalk已經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(qū)在內的亞洲區(qū)的最大代理商。這樣 ReWalk 就可以借助安川遍布亞洲的營銷網絡銷售自己的產品而不必花費太多的力量自行鋪設營銷渠道。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(qū)中脊髓損傷患者使用的個人系統(tǒng)，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，旗艦產品HAL于2005年首次亮相于愛知世博會，是日本最著名的機器人外骨骼。2008年HAL正式發(fā)布，2013年成為全球首個獲得安全認證的機器人外骨骼產品。2014年3月，Cyberdyne在東京證券交易所創(chuàng)業(yè)板上市，是日本首家生產醫(yī)用及社會福利事業(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，2018年獲得美國FDA認證。

公司創(chuàng)始人三階吉行通過特殊的雙重股權設計牢牢控制著公司，以確保其技術只用于和平、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，他通過私下配售沒有投票權的股票完成了5500萬美元的融資。公司發(fā)行了常規(guī)股票和特殊股票兩類股權，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，尚未開始盈利。其2015年財年營業(yè)收入580萬美元，同比增長26.6%，凈利潤與其他外骨骼開發(fā)公司相似，仍然處于虧損狀態(tài)。

相對來說，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，同時公司的研發(fā)強度一直處于高位，導致營業(yè)費用較高，隨著認證的通過以及消費市場的擴大，公司未來是有望達成盈虧平衡的。同時，為用作醫(yī)療設備的HAL爭取到更多的監(jiān)管機構批準，使HAL被納入保險責任范圍，并擴大該技術的用途。舉例來說，德國已經批準HAL用于治療受傷的工人，并允許工人使用工傷保險來支付費用。

Cyberdyne的核心產品HAL發(fā)展至今經歷了5代產品，在2010年，筑波大學的科研部門提出了以仿生人體工學的理念來設計外骨骼，HAL的設計更強調與人體的整合度，他們認為HAL系統(tǒng)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(tǒng)，無論是室內還是戶外均有不錯表現，日常生活中的一切活動幾乎都可以借助HAL-5完成。穿上Cyberdyne這套外骨骼后完全不會感覺到其130磅（約59公斤）的自重，因為外骨骼會幫助你承受這些重量。

在日本國內，HAL已售出400多套，價格大約在15萬美元。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，Cyberdyne還將開發(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。由于產品不菲的使用成本，所以公司使用租借的方式來分散化高昂的費用。據Cyberdyne官方數據，自2010年以來，東京地區(qū)的150間醫(yī)院和療養(yǎng)院已經累計租借了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美元的價格（租賃時間如果超過一年將獲得更低廉得月租費用）進行租賃使用，這種靈活的租賃方式受到了醫(yī)療機構的歡迎。

4. 新西蘭Rex Bionics Limited

Rex Bionics Limited (“RBL”)是一家關注于研發(fā)、生產和商業(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，生產和研發(fā)基地位于新西蘭奧克蘭，全球服務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”；同時完成了融資1000萬英鎊，開始商業(yè)化Rex相關技術，并法律意義上成為一家英國公司。2016年中國美安醫(yī)藥完成了對Rex的股權投資，并將在中國實現Rex的商業(yè)化。

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

Rex是目前市場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品提供了兩大關鍵性的競爭優(yōu)勢：第一，它使得Rex可以在站立的同時解放上肢和雙手，可以同時利用雙手進行工作或者其他活動，尤其是在直立狀態(tài)下安全地進行相對復雜的物理康復訓練，進而增強他們的核心機能和上肢功能；在坐立狀態(tài)下，這種類型、強度和功能的物理康復訓練的實現是不可能的；第二，對于大量的嚴重病患，無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(yī)療外骨骼商業(yè)化之路曲折，工業(yè)領域柳暗花明？

無論國內外企業(yè)，在醫(yī)用外骨骼商業(yè)化落地的過程中都不太順利。不過即使是手術機器人王者達芬奇，在上市的前幾年也是嚴重虧損，直到第五年才迎來業(yè)績小爆發(fā)，并經歷了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(xù)虧損徘徊，最大的問題在于銷量不振與成本控制，這也是高新技術產品在初期的通病。他們共同的缺點是：太貴了。

ReWalk6.0 系統(tǒng)的售價約是7.7萬美金，Ekso外骨骼售價每套14萬美金，而Cyberdyne 的產品售價更是高達20多萬美金，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，人工智能成為當年的投資熱點。這兩家公司用十幾、二十幾年的時間構建了復雜指令算法的交互程序，學習型算法在半個小時內就可以超越這些積累。人工智能技術正在沖擊著傳統(tǒng)的外骨骼產品，產品迭代頻率加快，國際上的大企業(yè)并沒有很多的先發(fā)優(yōu)勢，時刻面臨技術淘汰的危險。

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

未來，外骨骼的研發(fā)方向將是重量和尺寸的進一步減小，優(yōu)化機械結構與控制系統(tǒng)，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，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。工業(yè)外骨骼公司2019年以來的投資熱度正在快速上升，大有超越醫(yī)用外骨骼的趨勢。我國醫(yī)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)辦了專注于工業(yè)外骨骼機器人研發(fā)的傲鯊智能公司，開辟更廣闊的外骨骼市場。鐵甲鋼拳也正在與京東合作開發(fā)外骨骼在倉儲物流過程中的應用。

醫(yī)用外骨骼機器人毛利率相對較高，售價可以達到工業(yè)外骨骼機器人的3-4倍，但同時其市場推廣受到醫(yī)療設備審批認證的限制。相對醫(yī)用外骨骼機器人需要二類醫(yī)療器械認證，工業(yè)外骨骼機器人沒有醫(yī)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。或許通過外骨骼在工業(yè)制造、消防、物流等更多民用領域的推廣，能夠讓這項技術真正找到盈利的方向。

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