机械外骨骼悄然步入现实
  • 来源:科普时报
  • 作者:郭鑫
  • 2021-08-21 15:19

2019年上映的《流浪地球》因其突出的硬科幻实力,直到现在仍热度不减。影片中,地球在经过木星轨道时,“流浪地球计划”因全球发动机停摆而险遭折戟,穿戴特殊装备的军人开始全球救援。这种特殊装备被称为机械外骨骼,可以贴合人体曲线,通过及时迅速计算,精准地为四肢提供额外的能量,从而令穿戴者变得“力大无穷,健步如飞”。

看起来很科幻,然而这种设备已经悄悄地出现在我们身边。2020年,上海街头就出现了一名身穿机械外骨骼设备的外卖小哥,背着一摞外卖箱在街头行走自如,不禁让人感叹科幻已走进了现实。

据报道,这套机械外骨骼设备是某外卖平台推出的一款测试设备,用于辅助高峰时期外卖小哥售餐服务。设备最大能承受50公斤货物,穿上它,外卖小哥弯腰、搬运等动作变得更轻松。

机械外骨骼又称动力外骨骼,由钢铁框架构成,可以分上、下肢外骨骼,两者同等重要,通常可以将两者分开做研究。机械外骨骼主要包括控制系统、能源系统、联接部分、动力输出和执行部分。控制系统通过安装在各部位的传感器获得人体各项数据,中央处理器负责各种传感数据、计算调整机械外骨骼的姿态、动力输出,从而与穿戴者共同完成一系列的动作。

机械外骨骼的研究可以追溯到上世纪60年代,当时通用电气公司研制了一款名为“哈迪曼”的可佩戴单兵装备,辅助双手抓举重物。从2015年开始,国内外对于外骨骼产品的研究发展迅速,许多国家着手深入研究机械外骨骼产品。

机械外骨骼根据应用领域和作用的不同,主要分为军用机械外骨骼和民用机械外骨骼。

军用机械外骨骼可以为作战士兵提供外力支持,提升负载能力和机动性,并且支持下蹲、匍匐等多种复杂动作。有些军用机械外骨骼甚至装备了通信系统、武器系统。影片《流浪地球》中使用的就属于军用机械外骨骼。

在这个领域,中俄美日等国家均推出了自家的军用机械外骨骼产品,其中以伯克利机器人和人体工程实验室的BLEEX项目较为成熟。BLEEX由双腿外骨骼、动力能源单元和可背负各种物品的框架组成,配备混合能量供给单元保证驱动能力强劲,用液压系统驱动关节运动,电路采用高速同步网络拓扑结构,保证数据采集、处理的实时性,能够帮助穿戴者灵活地蹲、跨、走、跑,俯身钻过障碍,以及上下坡。

民用机械外骨骼的应用场景也相当广泛,不仅可以为行动不便的人群提供外力支持,在康复治疗中辅助病人进行康复训练,帮助残疾人恢复自主行走的能力;也可以让普通人承受更大负重,如减轻滑雪者膝盖负担的滑雪机械外骨骼,用于野外徒步、登山等场景的机械外骨骼等。

目前,随着我国老龄化进程的加快和肢体残障人员数量增多,机械外骨骼能够帮助人们提高生活质量这一明显优势显示出巨大的应用前景,相关的研究也在不断深入。相信在不久的将来,机械外骨骼在推动人类社会进步、帮助人们节省体力、改善生活品质等方面会起到相当重要的作用。

(作者系中国科学技术馆网络科普部工程师)

责任编辑:毛梦囡
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