Nature重磅：AI“颠覆”外骨骼，助力打造强健身体

投稿作者：苏浩（北卡罗来纳州立大学与北卡罗来纳大学教堂山分校教授）

外骨骼机器人虽然可以帮助人行走，但通常局限于实验室环境，并且需要半小时到一小时来调整机器人的软件算法以适应每个使用者。

近日，北卡罗来纳州立大学与北卡罗来纳大学教堂山分校的苏浩教授团队在国际顶级学术期刊 Nature 上发表了一篇关于机器人和人工智能算法相结合服务人类的突破性研究论文，标题为“Experiment-free Exoskeleton Assistance via Learning in Simulation”。

该论文展示了一种在计算机仿真环境中通过强化学习来让机器人学习控制策略的新方法。通过这种“计算机仿真中的机器学习”(learning-in-simulation)，研究展示了这种方法可以让机器人具备智能性，特别是能适合各种人的泛化能力，不仅可以自主适应走路、跑步、爬楼梯等多种动作，还能帮助在行走中节省大量的人体能量。

这项研究标志着外骨骼技术的重大突破，使机器人更加智能和实用，有望极大地提高老年人，行动障碍人士和残疾人的生活质量。

创新人工智能“仿真中学习”框架，实现外骨骼的智能性和通用性

外骨骼是一种穿戴式机器人，通过提供外部动力来辅助人体运动，增强力量和稳定性。它可以改善人类的运动，恢复残疾人的行动能力，显著提高人们的健康和生活质量。

该论文的通讯作者、北卡罗纳州立大学&北卡罗纳大学教堂山分校教授苏浩表示：“我们的理念是科学技术要以人为本，为人服务，解决现实中的问题。现有的外骨骼控制算法通常需要长达几个小时的人体实验和调参，这一过程耗时耗力，这阻碍了外骨骼的广泛应用。这一创新的人工智能框架突破了仿真与现实之间的鸿沟。通过纯计算机仿真，也就是数字孪生的方法，这种基于模型和数据驱动的强化学习算法，使外骨骼为步行、跑步、爬楼梯多种动作提供有效助力，减少人体能量消耗，相当于减少 11.9 公斤体重。”

为了探索这个技术的可行性，该论文的第一作者罗淑贞博士（曾是苏浩教授博士后，现为安柏瑞德大学助理教授）进行了长达 4 年的研究，她介绍说：“我们首先通过创建高保真的肌肉骨骼模型，并设计三个深度神经网络的闭环仿真训练方法。此方法集成了人类模型（包括运动模仿网络和肌肉协调网络）以及外骨骼控制器（神经网络的控制策略），实现通过交换状态信息来精准模拟人机互动过程。通过这种“计算机仿真中的机器学习”（learning-in-simulation）的方法，训练后的控制器可实时生成适应不同运动模式的助力，无需任何人体实验或调试。”

苏浩教授团队将仿真学习得到的控制器在三种活动（步行、跑步和爬楼梯）上进行了实验，每种活动均包含 8 位健康受试者。实验结果显示，该控制器产生的助力曲线能够根据不同的活动类型自主进行调整，无需进行任何人工干预。例如，随着行进速度的逐渐加快，控制器产生的助力大小也会随之增加，并且曲线形状也会发生变化以适应不同活动的助力需求。实现这一能力的关键在于控制器完全依赖于戴在受试者大腿上的惯性测量单元传感器提供的大腿运动学信息作为输入，并且控制器通过上百万轮的仿真训练掌握了通过输入的运动学信号直接输出合适的助力的能力。“我们的控制器能够端到端地生成合适的助力，现有方法大多都需要很多额外的中间步骤，而这会带来繁琐的人工调节参数的过程，并且也会对控制器的泛化能力产生影响”，苏浩教授表示。同时，由于不同受试者的行动方式各有差异，即使是针对同一个速度的活动，控制器也会给不同受试者产生略有不同的助力曲线。“我们工作的一大亮点是控制器产生的助力在不同人身上是不一样的，它会自主调节，而不是给一个固定形状的助力。”

进一步的实验结果显示，使用该控制器后，在行走时将受试者的平均新陈代谢速率降低了 24.3%，在跑步时降低了 13.1%，在爬楼梯时降低了 15.4%。这些降幅超过了以往研究中任何一款使用便携式下肢外骨骼所取得能量降幅，以上结果表明通过仿真学习得到的外骨骼控制器确实对人的不同活动提供了极大的帮助。

图｜通过仿真学习对外骨骼助力进行免实验优化

无需人体实验，外骨骼开发进入快车道

该研究的核心在于利用仿真学习来弥合电脑仿真与现实应用之间的鸿沟。研究团队通过数百万轮的仿真训练，使控制器能够在不同的活动中生成有效的助力。这种方法不仅提高了开发效率，还减少了对昂贵且耗时的人体实验的依赖，为外骨骼的快速开发与广泛应用提供了可行路径。

图｜仿真学习框架

支持连续多动作，实现高效辅助

张赛男博士（曾是苏教授博士生，现为其博士后，作者之一）表示：“这是一种具身智能的研究，我们的算法是基于我们自己研发的外骨骼，是最轻的动力型可穿戴机器人。该研究的一大亮点在于外骨骼设备能够实现多动作的连续支持。在实验中，佩戴外骨骼设备的受试者可以无缝衔接多种动作。例如，用户从慢走逐渐加速到跑步，然后再迅速转变为爬楼梯，整个过程外骨骼设备都能够提供稳定而有效的辅助。通过由强化学习得到的控制策略，外骨骼能够实时调整助力大小和时机，确保每一个动作都得到合适的助力。”这种支持对连续动作提供助力的能力显著提高了外骨骼设备的实用性和用户体验，展示了外骨骼技术在多样化运动中的潜力。

图｜各种活动和运动转换期间的助力曲线

应用前景广阔

这项研究成果在外骨骼技术的发展过程中具有重要的里程碑意义。外骨骼设备不仅可以显著提高普通人的运动表现，也能帮助残疾人恢复行动能力。罗淑贞博士、苏浩教授及新泽西理工学院周先连教授和全美最大的康复研究中心之一 Kessler Foundation 岳光辉教授合作，研究利用仿真学习来控制康复机器人。周先连教授表示：“我认为仿真学习在康复机器人控制上具有非常好的应用前景。需要进行运动康复的患者病情各异，因而需要不同的辅助需求。我们的仿真学习技术具有很好的自适应性，同时也有可能进一步实现定制化的辅助控制。” 研究团队相信，通过进一步优化和推广这一仿真学习框架，可穿戴机器人未来将在医疗、工业和日常生活中发挥更加广泛的作用。

该研究的作者包括苏浩、罗淑贞、姜梦涵、张赛男、朱君玺、于双悦、Israel Dominguez、王天、周先连教授，密歇根大学 Elliott Rouse 教授、加州大学洛杉矶分校 Bolei Zhou 教授、韩国科学技术高等研究院 Hyunwoo Yuk 博士。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07382-4

为什么日冕那么热，研究有了新思路

　　茫茫星河，有多少人类未曾探知的秘密？

　　“为什么日冕那么热”“暗能量是什么”“暗物质是什么”“重子哪里去了”“恒星是如何爆炸的”“是什么使宇宙再电离”“各种高能宇宙射线的源头是什么”“为什么我们的太阳系如此独特”？2012年，美国《科学》杂志将上述问题评选为当代天文学八大未解之谜。

　　近日，北京大学田晖教授、谭摩伊·萨曼塔博士及其合作者在破解“日冕加热”之谜的征途上取得重要进展，其研究成果——题为《太阳针状物的产生和加热》的研究论文日前发表在《科学》杂志。记者了解到，该课题组利用氢原子Hα谱线，对太阳低层大气中普遍存在的一种小尺度喷流——针状物进行了高时间（约3.5秒）和高空间分辨率（约45千米）的成像观测研究，并利用铁原子的1.56微米谱线，对太阳磁场进行了极高灵敏度的测量。课题组分析数据发现，不同极性磁场结构之间的相互作用产生了针状物，而针状物在往外传输过程中引起了局地日冕的加热。

日冕加热之谜：日冕温度为什么高达百万度量级

　　在了解日冕加热之谜前，我们首先要知道，什么是日冕。

　　论文作者之一、田晖的博士生陈亚杰介绍，日冕是太阳的外层大气，亮度大约是太阳表面（光球）的百万分之一。平时，日冕发出的微弱光线被太阳表面（光球）发出的光所掩盖，所以我们无法看到日冕。当日全食发生，月亮完全挡住太阳圆盘时，我们就可以看到围绕着月亮阴影的光圈，这光圈最开始被误认为是地球大气造成的。

　　直到1806年6月16日的日全食，西班牙天文学家何塞·华金·费雷尔发现光圈并不是地球大气带来的，而是来自太阳大气，并把它冠以拉丁文中的“”一词，也就是我们现在常说的“日冕”。

　　19世纪中叶，人们通过对日全食的观测发现日冕当中存在着一条亮绿色的谱线。到了上20世纪三四十年代，天文学家们确认这条谱线源自13次电离的铁离子。而人们知道，这一铁的高价离子通常只能在超过百万度的环境下才会存在。它的存在表明，日冕的温度高达百万度量级，远远超过光球约5500摄氏度的温度。而根据热力学第二定律，如果日冕的热量是太阳内部经由光球往外传来的，离太阳核心越远温度应该越低，那么它的温度应低于光球，事实却与这恰恰相反。而高温日冕的直接后果便是太阳风的形成，太阳风是太阳系中各大行星之间区域中的基本介质。

　　那么，如此高温的日冕是如何产生和维持的？这便是日冕加热的问题，它是天文学和空间科学领域长期以来未能解决的难题之一。

日冕加热新思路：太阳针状物喷射

　　近年来，基于对高分辨率太阳观测数据的详细分析，田晖研究团队发现，太阳低层大气里小尺度的、普遍存在的喷流，可能在日冕的物质和能量供应中起到了非常重要的作用。

　　田晖告诉记者，这些普遍存在的喷流中，最典型的是位于光球和日冕之间的所谓针状物。这些针状物的宽度通常只有200千米左右（太阳半径约70万千米），它们就像喷泉一样间歇性地从太阳表面往外喷射到日冕中。经估计，太阳表面上时刻都存在至少约百万个针状物，其产生和传输过程很可能是理解日冕加热的关键。

　　为理解针状物的产生机制，许多学者根据自己的认识，提出了众多包含不同物理过程的唯象或数值模型。实际上，由于过去观测上的限制，人们一直没有观测到针状物的详细产生过程，缺少直接观测证据，也就无法判定模型的对错。因此，对于针状物的产生机制，目前太理界仍无共识。

　　此时，大熊湖天文台新一代古迪太阳望远镜，成为探寻针状物产生机制和日冕加热之谜的一把关键钥匙。这台目前世界上正在运营的最大口径的太阳望远镜，其得天独厚的观测台址和强大的观测仪器设备，为攻克该项极具挑战的研究课题提供了可能。

　　田晖课题组与大熊湖天文台台长曹文达团队进行合作，利用古迪太阳望远镜对太阳宁静区针状物的产生机制和加热过程进行了成功观测，发现不同极性磁场结构之间的相互作用与针状物的产生紧密相关。这些针状物通常产生于太阳上一种对流单元边界处的强磁场区域附近。当网络组织附近出现相反极性的小尺度弱磁场结构时，通常便会产生针状物。

　　田晖说，这些观测结果为磁重联驱动针状物的观点提供了迄今为止最强有力的支持。尽管该观测表明至少一部分针状物是由磁重联过程所产生，但其揭示的磁重联位形完全不同于现有的少数几个磁重联驱动针状物的理论模型。因此，未来亟须针对这一最新观测结果进行相关理论和数值模拟研究。

　　同时，利用太阳动力学天文台卫星的观测，该团队发现，在这些针状物上端出现了增强的日冕辐射，表明针状物在往外传播的过程中被加热到百万度量级。其研究显示，针状物被加热到日冕温度是一种普遍现象，研究日冕加热不能不考虑针状物的贡献。

日冕加热探索方向：揭秘须关注太阳各层大气间的耦合

　　田晖介绍，该研究将日冕加热与太阳低层大气中的磁活动联系起来，这得益于对太阳大气不同层次（不同温度）的协同观测。

　　“可以说，这一研究成果重新梳理了日冕加热的研究思路。过去，大家通常仅仅在日冕观测中寻找加热的蛛丝马迹，相关理论研究也基本全是探讨日冕中的物理过程。而这一成果表明，要揭开日冕加热的神秘面纱，必须要关注能量和物质从低层大气往外传输的过程，亦即需要着眼于太阳各层大气之间的耦合。”陈亚杰说。

　　此外，这一研究成果也将促进日冕加热和磁重联的有关理论和数值模拟研究。据了解，太阳低层大气是部分电离的。人们对完全电离环境下的磁重联特征有较多了解，但对部分电离环境中的磁重联还不甚理解，因此这方面有待进一步研究。此外，针状物在往外传输过程中的加热机制仍不清楚，同样需进一步研究。

　　“作为唯一一颗可以进行详细观测的恒星，对太阳的观测对于理解恒星上发生的物理过程来说具有独一无二的参考价值。因此，这一研究也为理解一些恒星冕层的高温提供了重要启示。”田晖说。

　　论文通讯作者和第一作者分别为田晖及其博士后谭摩伊·萨曼塔，其他合作者包括大熊湖天文台台长曹文达教授，北京大学博士生陈亚杰，昆明理工大学教授冯松，以及来自美国新泽西理工学院、德国马普学会太阳系研究所、英国谢菲尔德大学、奥地利格拉茨大学、印度天体物理研究所的多位太理学者。

本报北京12月13日电 本报记者 晋浩天

来源：光明日报