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走进现实的外骨骼

2016-10-13 14:26 http://www.cufl.com/ 点击:
走进现实的外骨骼
 
    “动力外骨骼”(Powered Exoskeleton)最初是出现在科幻小说中的机械及电子设备,是一种能够增强人体能力的可穿戴机器。它能够帮助人们跑得更快、跳得更高、携带更多更重的东西。动力外骨骼通过传感器来收集使用者的活动信息,这些信息传递给信息处理器进行处理,然后启动相应的机械部件来输出能量。在动力外骨骼中可以使用的传感器种类很多,包括角辨向器、肌电传感器、地面传感器、肌肉压力传感器等等。同样,用于输出的机械系统也有很多选择,目前液压系统和气压系统是比较常见的。


 
    早在1960年,通用电气就开始了机械外骨骼的研究,但是当时他们开发的设备只有一只手。麻省理工学院从1978年也开始了这项研究,但是目前看起来比较有希望的是一家坐落在盐湖城的公司。这家叫做Sarcos的公司在1983年就开始了这方面的探索,公司创始人斯蒂芬 · 雅克布森(Stephen Jocabsen)称它为XOS。2000年XOS从14个类似的装备中脱颖而出,被美国国防部高级研究计划署——就是这个机构发明了互联网——选中,并且打算把它应用在军队中。这项研究在高级研究计划署的资金支持下开始迅速发展,后来Sarcos被美国一家国防部承包商雷神(Raytheon)公司收购,当时的计划是能在2008年推出成品,并且在2009年进行战场实验。
 
    在国外外骨骼已经有着很长的发展历史。然而近几年在我国也逐渐开始研发。2013年,由南京军区总医院博士后工作站研发的首部外骨骼装置正式亮相,被定义为“单兵负重辅助系统”,面向军用领域、专注于压缩负重,并能够快速同步穿戴者的动作。尽管它被认为是目前国内最完善的外骨骼装置,但其功能相对单一,且负重能力以及设计结构仍有待提升。
 
    另外由中科院常州先进所设计研发的EXOP-1外骨骼系统已于2014年正式进入调试阶段。本体全部由航空铝打造的它配备了22个传感器、 6个驱动器和1个控制器,造价在30万元左右。相比于在南京亮相的军用外骨骼系统和国外先进的外骨骼装备,EXOP-1虽然同样能够减轻穿戴者的负重,但它的体积相对笨重,难以在短期内投入使用。
 
    由此看来“外骨骼”已经成为未来国内外都在关注的一个焦点,然而大众知道它的缘由来自之前比较火的一款游戏《使命召唤11》,在这款经典的现代战争游戏中“外骨骼”也作为游戏卖点等登场,他的背景设定在2054年的未来世界,高科技武器以及能够大幅强化士兵的单兵作战能力。当时也有不少关于外骨骼的讨论,虽然在《使命召唤》中展示的是未来的一场高级的现代战争,但是给我带来的不仅仅是对未来的憧憬,还有对现在外骨骼在军事领域的各种启发和联想。军用外骨骼将是人类研制的最复杂的机器之一,它还能促进机器人的开发,令机器人更像人类。外骨骼必须能够感应人体活动并对其做出反应。它们还必须能够将来自能量源的能量转换为可用的促动能量,以辅助穿用者开展活动。摆在开发者面前的挑战是巨大的,为了开发出这种外骨骼,新的设备和发明也将不断涌现。一旦成功的设备被研发,必将改变现代战争的形式格局。


 
    除了在军事领域以外,在民用领域上,“外骨骼”发展也十分迅速,尤其在医疗领域主要在辅助性康复以及医疗义肢上具有巨大的发展前景。在民用领域的应用一直被认为是其以后发展的重要方向,但是“外骨骼”一直和人们的现实生活有着一段距离,起初外骨骼结构是一个相对小众的机器人市场。但是后来随着越来越多的公司加入进来,最初的医疗和军事方面的应用已经拓展到日常应用场景,比如增加员工的生产效率,甚至是帮助老年员工延长工作时间。有的公司为了让普通工人能够轻松地负重移动,于是便做了一个轻便版的外骨骼支架。在背部、大腿、小腿到脚部的区域里用碳纤维材料支撑,配合着可以由传感器唤醒的动力马达,可以轻松地帮人负重工作,这就是外骨骼在民用领域的初步尝试。
 
    如今便有一款医用外骨骼诞生,它就是来自Phoenix的SuitX。SuitX被认为是第一个走进现实的外骨骼设备,以前往往一旦谈及到外骨骼的价格,听起来都是高的吓死人,至少几十万上百万美金的价格往往是正常人难以消费的起的产品, Phoenix的SuitX只需要普通产品的一半还少的价格(4万美金),这样的价格让不少稍高收入阶层的人有了尝试的机会,12.25Kg的重量也是同类型中最轻的一个,其设计的目的是帮助残疾人正常走路。
 
    和其他外骨骼不同的是Phoenix采用下半身机动支撑双手控制拐杖来辅助站立,这样的工作原理可以让下半肢残疾的人重新站立起来进行走路,听起来十分让人激动。设计团队是来自加州大学伯克利分校人类工程团队实验室极简的设计外加先进的嵌入式智能微小组件,是Phoenix能够控制其重量和成本的重要原因。外骨骼设计采用模块化设计,主要分为一个髋关节模块,2个膝关节模块和2个脚模块,客户可以单独使用或连接在一起,形成一个完整的系统。这不仅削减了不必要的重量和体积同时也会让电池的寿命延长,在完全组装安装,充电完成的状态下可以不间断连续4个小时的行走,它的最大行走速度为1.1英里每小时(0.5米/秒)。完全可以胜任一个正常人散步的速度。
 
    SuitX 可以在用户不脱下来的情况下完成坐在轮椅上然后站起来继续行走然后再坐下的整个过程,操作起来也十分方便。SuitX Phoenix 外骨骼是完全可定制,并且可调节重量、高度和腿的尺寸。它为佩戴者准备了两根拐杖,其中包括“走或不走”和“坐“或站立的按钮,按下这些按钮将消息发送到髋部执行器,佩戴者可以按前进的每一步,或使用连续的步行模式。
 
    目前来看,外骨骼发展前景很好,但是各界褒贬不一,看法不同。外骨骼是利用机械等来增强人体素质的装置,当然,目前基本只能在力量上有所提升。外骨骼是未来人类外太空开发的重要工具,在无重力、超重力环境下,大有用途。但现在技术不成熟,能源、操作系统、动力来源,都限制了实用化发展军事上主要增加单兵负荷能力与防护力,如果能解决能源等问题,单兵“上天入地”的对抗就成为了可能。在影视作品中人们看到的更多是预测与跟风,外骨骼发展使得影视的介入,而影视作品又使更多人了解了外骨骼,促进外骨骼的成熟。也许,我们能做的还是期待不久的将来,外骨骼成熟真正走进人们生活的那天吧。
 
    诚然,目前机械外骨骼的应用主要还是在中高端市场,无法大规模普及应用。军队作战几千年来改变的东西无也只是在原有基础上改良武器、材料、运输方式和通信方式,而对于负重却没有很大的改变,而增加新的装备意味着后勤保障工作又会大幅增加。军队作战单兵负重一直需要不是很大。民用也是一样,若给搬运工人一副机械外骨骼,不如一辆板车来的实在。高科技含量几乎就意味着低可靠性,机械外骨骼的应用几乎都在高强度的工作条件下,这也就意味着它在人类材料、传动等方面还未达到一定高度。
 
    作为新科技,外骨骼也许会最先应用在抢险救援方面。首先各种灾祸现场的情况往往比较复杂,大型机械设备可能无法进入,而单靠人力又效率太低。外骨骼设备可以一定程度上弥补人力的不足,同时兼具灵活性。其次,救援后备一般都有保障,对外骨骼系统的可靠性要求就低一些,专注其性能就好。没动力了可以及时加油、充电。坏掉了也可以马上换一个。时间是最宝贵的,只要能把人救出来,花多少钱都不用心疼。如果在地震、泥石流、洪灾、矿难等等事故的救援行动中可以用上外骨骼系统,相信救援效率会成倍增加,比民用或者军事上的应用价值都要大很多。
 
    外骨骼之前在人们心中一直被看做是黑科技,大多数人还是在游戏或者电影中才见识到了它的厉害,没想到这么快就来到了现实世界开始造福人类了,感觉未来是多么的令人兴奋。外骨骼今后的发展必将是人类的重要辅助工具,从一种角度来看,这些机器结构让人类能够适应更紧张的工作环境,而从另一个角度来说,也是人类扮演了机器的中枢控制系统的角色。虽然目前外骨骼的发展还有很多瓶颈没有被克服,比如轻量化、续航、以及智能化等问题,但是人类的想象没有终点。若干年后,我们或许会看到动力外骨骼将变成贴身衣物,具有高强度、轻量且耐磨等特性,能够被广泛应用于救火、抢险等与百姓息息相关的危急环境中。我们不是希望外骨骼在战场上帮我们杀敌,只希望它能让我们的生活变得更加轻松快乐。


 
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(责任编辑:张xiao七)
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