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一、從科幻到現(xiàn)實(shí)——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(jī)械外骨骼的雛形。外骨骼的概念來源于節(jié)肢動物為保護(hù)和支撐身體、幫助行動的堅(jiān)硬外部結(jié)構(gòu)。而人類則能通過機(jī)械傳動和控制系統(tǒng)仿生出機(jī)械外骨骼，讓人們跑得更快、跳得更高、負(fù)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(qiáng)的力量與速度，完成更加困難的戰(zhàn)斗或工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。

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(jī)械外骨骼的研究。美國由軍方主導(dǎo)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(fù)載等）。

20世紀(jì)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(jī)哈迪曼（Hardiman）外骨骼手。其設(shè)計(jì)目的是協(xié)助使用者在外太空、核工廠、水下等進(jìn)行工作。該公司第一個(gè)提出并開展增強(qiáng)人體機(jī)能的主動助力型機(jī)械骨骼機(jī)器研究。其機(jī)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)院開發(fā)了一套獨(dú)立的可穿助力外套，稱為“動力輔助服”，該產(chǎn)品使用肌肉壓力傳感器，分析佩戴者的運(yùn)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(chǎn)品是專為護(hù)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(jī)械外骨骼衣（XOS）。穿上“XOS”時(shí)，人們能用負(fù)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(gè)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(shí)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(jī)械骨骼系統(tǒng)“eLEGS“。這是世界上第一款不使用繩或鏈達(dá)到自然行走目標(biāo)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(fù)流程

在醫(yī)療方面，步態(tài)訓(xùn)練是下肢功能障礙康復(fù)訓(xùn)練的主要方式，機(jī)械骨骼可以應(yīng)用在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域的特定訓(xùn)練中，能夠保證高效的康復(fù)訓(xùn)練，因此非常適合老年人和殘疾人使用。在機(jī)器人外骨骼的幫助下，中風(fēng)患者可以比傳統(tǒng)的物理治療更快的恢復(fù)手臂運(yùn)動能力。傳感器檢測肌肉力量、運(yùn)動范圍和腦活動，還能把患者的進(jìn)展告知治療師。這類機(jī)器還有助于重新訓(xùn)練大腦，使健康的區(qū)域能夠補(bǔ)償損傷的區(qū)域。機(jī)器人系統(tǒng)還幫助患者重新學(xué)習(xí)步行和其他運(yùn)動技能。

二、全球領(lǐng)先的外骨骼公司，他們發(fā)展的都還好嗎？

根據(jù)研究公司Research and Markets發(fā)布的報(bào)告，到2023年，醫(yī)療外骨骼行業(yè)的全球市場價(jià)值將超過5.7億美元。我國每年因?yàn)樽渲小⒛X癱、意外導(dǎo)致癱瘓無法行走患者不計(jì)其數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(fù)機(jī)構(gòu)和人才都存在巨大的缺口。國內(nèi)的康復(fù)治療師只有11000人，而美國有超過20萬；國內(nèi)的康復(fù)診所只有屈指可數(shù)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(fù)醫(yī)療中的應(yīng)用提供了廣闊的市場增長空間。

目前世界上外骨骼機(jī)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(jī)器人和人類工程實(shí)驗(yàn)室為美國國防部高級計(jì)劃研究局開發(fā)軍用仿生外骨骼，即人類通用負(fù)載載體HULC（Human Universal Load Carrier），在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)機(jī)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(jié)構(gòu)那樣支持我們的重量，不用使用驅(qū)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(shù)，按照一定的順序組成的關(guān)節(jié)，但它可以通過關(guān)節(jié)將重量轉(zhuǎn)移到地面，同時(shí)結(jié)合重力與能源回收技術(shù)。以這一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破成就了現(xiàn)在的公司。

ExoHiker專利（來源：思宇研究院整理）

后來，Ekso聯(lián)合創(chuàng)始人安戈?duì)柕碌牡艿懿恍翌i部受傷，C6-C7級脊髓損傷使他失去了下肢力量。安戈?duì)柕孪露Q心要造一臺外骨骼機(jī)器人，幫助他弟弟重新站起來。這也是促成他和公司設(shè)計(jì)開發(fā)用于醫(yī)療的機(jī)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(bào)周期長的硬件機(jī)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(jì)劃研究局、美國國家科學(xué)基金和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院等多家美國研究院的資助。

在HULC的基礎(chǔ)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(fù)外骨骼系統(tǒng)eLEGS。2011年，Berkeley Bionics公司更名為Ekso Bionics，其產(chǎn)品eLEGS也更名為Ekso。

強(qiáng)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(yī)院使用的l類設(shè)備，并獲得了歐盟的CE認(rèn)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(yīng)軟件，能夠?yàn)樯眢w任何一側(cè)提供適應(yīng)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(dá)克上市。2016年Ekso GT獲得了FDA的認(rèn)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(shè)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(fù)機(jī)構(gòu)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(jià)還是讓無數(shù)中風(fēng)及偏癱患者想擁有屬于自己的外骨骼機(jī)器人的夢想破滅，公司產(chǎn)品還是主要應(yīng)用于康復(fù)機(jī)構(gòu)。

Ekso GT

2. ReWalk Robotics

ReWalk Robotics成立于2001年，是一家以色列醫(yī)療設(shè)備公司，致力于設(shè)計(jì)開發(fā)和商業(yè)化外骨骼，公司旗下的ReWalk外骨骼機(jī)器人是全球首家獲得FDA認(rèn)證的外骨骼機(jī)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?yàn)橐粓鲕嚨湶恍宜闹c瘓。在住院的9個(gè)月里，他不得不忍受巨大的痛苦，學(xué)習(xí)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(tuán)隊(duì)，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(jìn)入以色列理工大學(xué)孵化器。在這里，設(shè)備被進(jìn)一步改良，并開始推向臨床進(jìn)行長期測試。2011年，ReWalk推出ReWalkRehabilitation供美國和歐洲的醫(yī)院和康復(fù)中心使用。2012年末ReWalk Personal獲得歐洲CE認(rèn)證，并在2014年6月獲得美國FDA批準(zhǔn)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(fù)，為癱瘓患者提供物理治療方式，包括減緩癱瘓導(dǎo)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(yùn)動，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，用戶不消耗不必要的能量而走。用戶可以將自己的體重轉(zhuǎn)移到一邊來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(dú)立操作設(shè)備，也能夠自己穿上和脫掉設(shè)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(shè)備所不具備的。

ReWalk公司于2014年9月在納斯達(dá)克上市，上市第一個(gè)月受到了市場追捧，股價(jià)創(chuàng)新高，最高超過30美元，較發(fā)行價(jià)上漲超過3倍，動態(tài)PS達(dá)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(jià)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(xiàn)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(qiáng)度投入，14年研發(fā)費(fèi)用同比增長2.5倍，達(dá)到856萬美元，研發(fā)強(qiáng)度(以研發(fā)費(fèi)用/營業(yè)收入計(jì)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年上市以來保持在200%以上的高水平，當(dāng)下的研發(fā)是為了若干年后的產(chǎn)品投放，高研發(fā)強(qiáng)度意味著公司對未來產(chǎn)品的市場容量和銷售推廣充滿信心。

2013年ReWalk已經(jīng)明確表示安川電機(jī)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)銷售自己的產(chǎn)品而不必花費(fèi)太多的力量自行鋪設(shè)營銷渠道。截止到2018年11月，ReWalk全球安裝量已達(dá)到500臺，這些設(shè)備中的大多數(shù)是家庭和社區(qū)中脊髓損傷患者使用的個(gè)人系統(tǒng)，而其他設(shè)備則位于康復(fù)中心，以評估和培訓(xùn)潛在的新設(shè)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(jī)器人。這是一種用戶全身都可以穿戴外骨骼機(jī)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(jī)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年首次亮相于愛知世博會，是日本最著名的機(jī)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(rèn)證的機(jī)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(yī)用及社會福利事業(yè)用機(jī)器人的公司上市。公司2013年接收到診所使用的CE認(rèn)證，積極推廣在歐洲的市場，2018年獲得美國FDA認(rèn)證。

公司創(chuàng)始人三階吉行通過特殊的雙重股權(quán)設(shè)計(jì)牢牢控制著公司，以確保其技術(shù)只用于和平、非致命性和非軍事的用途。當(dāng)三階吉行第一次尋找投資者時(shí)，他通過私下配售沒有投票權(quán)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(quán)，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(quán)，使公司很難成為被收購的目標(biāo)。目前，公司市值大約為14億美元，尚未開始盈利。其2015年財(cái)年?duì)I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(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證等項(xiàng)目，同時(shí)公司的研發(fā)強(qiáng)度一直處于高位，導(dǎo)致營業(yè)費(fèi)用較高，隨著認(rèn)證的通過以及消費(fèi)市場的擴(kuò)大，公司未來是有望達(dá)成盈虧平衡的。同時(shí)，為用作醫(yī)療設(shè)備的HAL爭取到更多的監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，使HAL被納入保險(xiǎn)責(zé)任范圍，并擴(kuò)大該技術(shù)的用途。舉例來說，德國已經(jīng)批準(zhǔn)HAL用于治療受傷的工人，并允許工人使用工傷保險(xiǎn)來支付費(fèi)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)的科研部門提出了以仿生人體工學(xué)的理念來設(shè)計(jì)外骨骼，HAL的設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)與人體的整合度，他們認(rèn)為HAL系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)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(nèi)還是戶外均有不錯表現(xiàn)，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?yàn)橥夤趋罆椭愠惺苓@些重量。

在日本國內(nèi)，HAL已售出400多套，價(jià)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(jī)器人套裝以及兒童可穿戴的機(jī)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分散化高昂的費(fèi)用。據(jù)Cyberdyne官方數(shù)據(jù)，自2010年以來，東京地區(qū)的150間醫(yī)院和療養(yǎng)院已經(jīng)累計(jì)租借了330套HAL，使用者支付5200美元左右的初期導(dǎo)入費(fèi)（相當(dāng)于初裝費(fèi)用的概念）后，就能夠以每月大約1700美元的價(jià)格（租賃時(shí)間如果超過一年將獲得更低廉得月租費(fèi)用）進(jìn)行租賃使用，這種靈活的租賃方式受到了醫(yī)療機(jī)構(gòu)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(jī)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1000萬英鎊，開始商業(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(yī)藥完成了對Rex的股權(quán)投資，并將在中國實(shí)現(xiàn)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)，分別針對專業(yè)的神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練中心和個(gè)人家里護(hù)理市場；前者針對神經(jīng)康復(fù)中心提供了可根據(jù)不同病人提供快速調(diào)整的功能，一般不會需要超過5分鐘，這個(gè)功能對于康復(fù)訓(xùn)練中心使用場景特別重要，因?yàn)闀袛?shù)量龐大的不同體型和類型的病人康復(fù)訓(xùn)練中心接受康復(fù)訓(xùn)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(shù)是針對個(gè)人進(jìn)行定制化設(shè)定的，所以不能輕易更改，但是提供了增加額外能力的擴(kuò)展性，能夠個(gè)性化符合個(gè)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(jī)器人。這被認(rèn)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，尤其是在直立狀態(tài)下安全地進(jìn)行相對復(fù)雜的物理康復(fù)訓(xùn)練，進(jìn)而增強(qiáng)他們的核心機(jī)能和上肢功能；在坐立狀態(tài)下，這種類型、強(qiáng)度和功能的物理康復(fù)訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)是不可能的；第二，對于大量的嚴(yán)重病患，無法使用拐杖或相應(yīng)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(fù)訓(xùn)練等等。

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

無論國內(nèi)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(shù)機(jī)器人王者達(dá)芬奇，在上市的前幾年也是嚴(yán)重虧損，直到第五年才迎來業(yè)績小爆發(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(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(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(tǒng)的售價(jià)約是7.7萬美金，Ekso外骨骼售價(jià)每套14萬美金，而Cyberdyne 的產(chǎn)品售價(jià)更是高達(dá)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(shí)，人工智能成為當(dāng)年的投資熱點(diǎn)。這兩家公司用十幾、二十幾年的時(shí)間構(gòu)建了復(fù)雜指令算法的交互程序，學(xué)習(xí)型算法在半個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以超越這些積累。人工智能技術(shù)正在沖擊著傳統(tǒng)的外骨骼產(chǎn)品，產(chǎn)品迭代頻率加快，國際上的大企業(yè)并沒有很多的先發(fā)優(yōu)勢，時(shí)刻面臨技術(shù)淘汰的危險(xiǎn)。

對于更多的國內(nèi)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(yīng)用場景的多元化和康復(fù)體系的建設(shè)?？傊壳巴夤趋罊C(jī)器人行業(yè)還沒有形成穩(wěn)定的盈利模式，無論國內(nèi)外都在曲折中探索發(fā)展。

未來，外骨骼的研發(fā)方向?qū)⑹侵亓亢统叽绲倪M(jìn)一步減小，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)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(shí)，外骨骼的工業(yè)化應(yīng)用也正在積極探索，比如HCL已被用于福島核電站的救助現(xiàn)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(jī)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(jī)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(yīng)用。

醫(yī)用外骨骼機(jī)器人毛利率相對較高，售價(jià)可以達(dá)到工業(yè)外骨骼機(jī)器人的3-4倍，但同時(shí)其市場推廣受到醫(yī)療設(shè)備審批認(rèn)證的限制。相對醫(yī)用外骨骼機(jī)器人需要二類醫(yī)療器械認(rèn)證，工業(yè)外骨骼機(jī)器人沒有醫(yī)用那樣強(qiáng)制的認(rèn)證要求，更多考慮的是耐久性、EMC等基礎(chǔ)測試?；蛟S通過外骨骼在工業(yè)制造、消防、物流等更多民用領(lǐng)域的推廣，能夠讓這項(xiàng)技術(shù)真正找到盈利的方向。

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