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不管是《明日邊緣》,還是《鋼鐵俠》等科幻大作中,都可以看出一件事:人類對借用機器強化自身這件事的熱心從未停止!

在自然界中,80%以上的節肢動物都有一個堅硬的、套在身體外面的外骨骼。外骨骼和其他骨骼系統的作用類似。像兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類那些長在身體裡面的骨骼(內骨骼)一樣,外骨骼也可以支援身體,維持無脊椎動物身體的形狀。

外骨骼也有其他作用,它們可以像盔甲一祥給動物提供保護,使之不受捕食者的危害。另外,由於外骨骼完整地包被著動物的組織,還可以防止動物不會過分乾燥。外骨骼還可以作為肌肉的附著點,由於槓桿作用和機械方面的原理,它們比起內骨骼來更加有優越性。

一隻小小的蝦可以用它的螯把一條魚切成兩半,或者能夠舉起相當於它體重50倍的東西,它們之所以如此“力大無窮”,就是因為外骨骼這方面的優點。

雖然外骨骼有很多好處,但它也有一些缺點。外骨骼很重,所以隨著時光流逝,披著外骨骼的動物中,成功地生存下來的那些動物的體形一直保持很小。另外,有外骨骼的動物必須脫去舊殼長出新殼,或者叫蛻皮,好使身體長大。在剛剛換下舊殼時,動物沒有了外骨骼的保護,很容易受到天敵的傷害。

但人類卻從中得到了靈感:外骨骼能否用來增強人體呢?答案是肯定的。因此,給人提供保護,增加額外能力和增強人體機能的機械外骨骼應運而生。

機械外骨骼有什麼作用?

機械外骨骼有兩個炫酷的名字,“動力外骨骼”和“外骨骼機甲”,它們的作用很簡單:透過穿戴精密的裝置來協助人體完成相應動作。

1830年,英國著名插畫師Robert Seymour繪製了一幅名叫Walking By Steam的插畫,它集合那個年代人類對外骨骼機甲的所有幻想;在1960-1980年,這是人類已經有能力製造樣機實踐和摸索了。這個時期美國開發了多種外骨骼樣機,例如,美國GE公司1965-1971年研發的外骨骼Hardiman。

1980-1990年是因機電和控制核心技術瓶頸導致低谷的沉寂期,此期間主要進行技術攻關,未有典型機械外骨骼產品問世。1990-2000 年是隨著機器人技術發展而復甦的積累期,許多國家的大學和研究機構開始介入人動力外骨骼研究,培養了大量人才,積累了豐富經驗,並有第一款進入市場銷售的LOKOMAT減重步行訓練用機械外骨骼。

Lockheed Martin的動力外骨骼

2000年至今,迎來了大躍進式投入的高潮期,開始從實驗室走向應用進入市場。韓國、以色列、加拿大、義大利、新加坡、比利時瑞士、澳大利亞等國家紛紛加入機械外骨骼的研究隊伍。在此期間,眾多機械外骨骼產品紛紛問世。

經過長期的探索,機械外骨骼機甲擴充套件到了越來越多的領域,比如單兵軍事作戰裝備、輔助醫療裝置、助力機構等。總結來說,主要分為三個方面:軍事、工業和醫療。

軍事應用

就像科幻電影中展現的一樣,外骨骼機甲的設想一經提出,就被用來提高士兵的單兵作戰能力上。

在伊拉克與阿富汗戰爭期間,35%的傷員都是因為負重損傷造成的。而機械外骨骼機甲卻能大幅提高士兵的承重能力,避免傷害的發生。

比如最近我國將單兵外骨骼部署在中印邊境,這群“超級炊事班”源源不斷地向前線運送物資。當時使用的是無源單兵外骨骼,大幅減低了官兵們的承重負擔,而印度卻還用毛驢來託運物資。

工業應用

工業運用主要面向生產製造、搬運輸送、航天空間站、深水作業等。洛克希德馬丁公司研製的外骨骼就可以在保證靈活性的前提下,將操作者身上揹負的、舉起的重量轉移、分散到地面,這不僅省力,而且還避免了肌肉拉傷等傷害。

醫療應用

據統計,我國有約8000萬殘疾人,每年增加的老年人也是百萬級別的,他們的康護護理都急需機械外骨骼的應用。機械外骨骼也能幫助癱瘓或者殘疾的人獨立行走,這對於他們的意義非凡。

機械外骨骼目前存在什麼發展問題?何時才能民用化?

上世紀60年代,美國率先提出“外骨骼”這個概念。時至今日,全球20多個國家開展了機械外骨骼的研究,雖然不少國家都研製出多種型別的外骨骼裝備,但距離批次投入市場還有較大的距離。

目前,各個國家的外骨骼機器人都還不能實現民用化,重要原因有以下幾個:

成本昂貴續航能力不足外骨骼笨重、舒適性差控制精度差

.....

那麼,外骨骼機器人要想快速、批次進入市場,需要從哪幾個方面實現突破呢?

高性價比材料

其中包括兩個方面,低價和高質。首先要滿足材料成本大眾化,易於接受,同時也要保證高強度高性質且輕質的材料。這樣才能保證外骨骼能夠在各種姿勢、各種運動過程中不過載,能夠保障人體安全。

高性價比的微型電池

一般情況下,康復機器人都是使用電池來驅動。以現在的科技,要想製造出高儲能微型電池,價格一定居高不下。但低價的低儲能電池往往外形過大,能量密度低,一次充電只能行走幾個小時。除此之外,大電池的安全性低,在使用過程中更容易對人體造成傷害。

高性價比的微型直驅電動機

這種電動機不僅要價格親民,而且最好尺寸較小,可以直接安裝在各個驅動關節,能夠很好地適應各種環境。

高性價比的微型感測器

現在的感測器面臨著兩個問題,一是整合度低,不能同時感知多種姿勢資訊與環境資訊,導致的結果就是在外骨骼上安裝的機器人數量增加;二是精度低、不可靠、對環境的適應性差。

未來想要將外骨骼機器人民用化,感測器是一個不得不解決的難題。

AI

最理想的外骨骼機器人是能實現與人互動、同步運動、健康自檢和對健康的判斷和預警,而這些,都必須將AI技術高度融合到外骨骼機器人中。

最後

當中印邊界部署單兵外骨骼的影片發出後,國人在驕傲的同時也不禁發出疑問:外骨骼機器人何時才能實現民用化,很多老年人、殘疾人都在等著它。有位網友發出感慨:民用化何時才能實現,家中還有偏癱妻子在等著!

確實,現在市場上康復外骨骼機器人的價格高居不小,售價普遍在10-15萬美元的水平。換算成人民幣,最低也不會低於60萬,但這個價格卻不是普通家庭可以承受的。

不過,國內對於外骨骼機器人的研究起步雖然晚於國外,與國外的產品也仍有一定的差距。但不可否認的是,我國科學家在對康復外骨骼機器人的研究過程中,各方面的技術水平在不斷提升。相信不會太久,康復外骨骼機器人就能真正推向市場、面向大眾。

話題:你覺得外骨骼機器人實現民用化還需要多久?

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  • 謝謝兵媽媽,禮物已經收到啦!