外骨骼是如何帮助人类实现“能量翻倍”的

出品:科普中国

制作:Get tech

监制:中国科学院计算机网络信息中心

电影《明日边缘》中演绎的外骨骼,能使人类跑得更快、跳得更高、更具攻击性。这在电影中司空见惯,在现实中,外骨骼技术已有20多年的历史,但主要在实验室和试验场应用。

一、外骨骼的原理

外骨骼,顾名思义,是放在人体外面的骨架,这个骨架能够帮助人做到以前做不到的事情。外骨骼技术就是在人体各个关节和活动部位安装上电机,通过大量的传感器捕捉人体动作,加上一套控制算法,让外骨骼和人类的行为一致,从而帮助人类工作。

使用了与EXOSUIT一样的伺服系统,使机甲双手可以完全复制人类的动作。

外骨骼可以分担70%以上的重量和压力,穿上外骨骼,骨瘦如柴的人,能轻松地抬起上百公斤的物品。这是因为穿上外骨骼后,传感器会让外骨骼遵循人的动作,控制算法和安全系统会计算电机需要提供多大的力量。

1889年Ira C.C. Rinehart的Walking Machine行走辅助装置

动力外骨骼通过传感器收集使用者的信息,这些信息经过处理,启动相应的机械部件传输能量。

在动力外骨骼中,与皮肤接触的压力传感器收集肌肉收缩的强度和方向,感应操纵者的意图,并把收集到的数据传递给信息处理器。然后把指令传递给相关的关节,通过关节内部的液压机构传动装置产生精准的力量。在现代信息技术的帮助下,动力外骨骼的反应让使用者几乎感觉不到它的存在。

动力外骨骼包含角辨向器、肌电传感器、地面传感器、肌肉压力传感器等等,输出机械系统有很多,比如常见的液压系统和气压系统。

二、外骨骼的应用史

外骨骼在美国科幻电影中已有数十年的历史,但是它并没有很快成为一个实践性的概念。

目前人类主要在军事、医疗两个领域使用外骨骼系统。

在医疗方面,外骨骼系统主要被应用在神经康复训练领域。它用于帮助下肢功能康复训练,机械骨骼高效的康复训练非常适合老年人和残疾人。外骨骼被设计用来帮助截瘫患者获得站立、行走的能力,同时也用来帮助中风患者再次学会如何行走。外骨骼被设计为通过拐杖上的按钮进行控制,当然也受到使用者体重的影响。最早的外骨骼应用,可以追溯到1830年的Robert Seymour提出的Walking by Steam蒸汽动力行走辅助装置,和1889年Ira C.C. Rinehart的Walking Machine行走辅助装置。日本的HAL-5(第五代外骨骼系统)被应用于无力援助的情况下的肌肉萎缩或脑、脊髓功能损伤的人。相关数据显示,脊髓损伤每年的治疗成本达到400亿美元,27.3万为脊髓损伤引起的全瘫病人,每年新增病例1.2万。将外骨骼应用于医疗康复训练,具有很大的市场空间。

在军事方面,打造军事强国是外骨骼发展的源动力。2001年,美国国防高级研究计划局拨出5000万元用于军事用途的外骨骼项目研发。美国、俄罗斯、法国等多个国家,都在研究采用外骨骼系统进行军需物资搬运、强化士兵的战斗力。外骨骼自身具有能量供应装置,它继承了大量的作战武器和现代化通讯系统,帮助提高国家的军事能力。比较著名的有美国的“TALOS”项目、俄罗斯的“勇士-21”和法国的“大力神”。

另外,在工业方面,外骨骼也有应用,主要在紧急援助、高危工作上。外骨骼可以帮助生产线上的工人减少重复劳作的压力,可以作为手臂支撑重物。

三、外骨骼技术的成果

现在的外骨骼可以设计的轻巧舒适,可以设计得像钢铁侠一样全身密不透风。

外骨骼技术目前只是取得了初步的进展,并没有形成大规模的产业。未来有五个方向:

1.利用电压变化使人造肌肉纤维收缩或伸张,产生力量;

2.控制系统完善;现在的外骨骼技术仅仅限于简单的动作,或者对机器人关节或末端执行器进行单个或者少数几个自由度的孤立控制,未来控制系统的完善是趋势;

3.机械结构设计:除了满足基本的行走功能外,还需要兼顾安全性、兼容性、舒适性;

4.能量源的补给,外骨骼需要满足24小时的能量补给;

5.外骨骼需要使得使用者驱动灵活。

未来,在医疗行业,外骨骼则主要被用于辅助和扩展人体的功能;在军事行业呢?在建筑行业,可能会利用外骨骼技术拿起沉重的工具,或在外表面作业。

目前,外骨骼技术的发展水平还不能做到像电影一样变换自如,但是依靠人力控制和脑电波控制,已经将人的能力提高到了更高的水准。

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