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外骨骼,要不要配置动力装置,这是个问题。

人类外骨骼

全金属外套

从战场、工厂到整形外科门诊,可穿在身上的人工骨骼和肌肉为穿戴者提供了帮助和保护。

士兵的装备反应了他们的首次作战体验,即身体有多少面积没有被防弹衣和头盔覆盖?结果是81%的身体表面没有被保护。要保护这些身体部位,防护装置重量增加,不具备实用性。确实,很多士兵要携带至少50公斤的装备和给养,此重量为美国陆军科学委员会建议的防止士兵骨骼和肌肉损伤极限重量的两倍。

很多人建议的解决方法就是第二种配置了完整人工肌肉的外骨骼,该外骨骼能让穿戴者毫不费力地携带更多重量。此外,这种外骨骼不再是科幻小说里的物件。不论在战场上还是在战场外,越来越多的人对外骨骼的用途感兴趣。

佛蒙特州的修正军事公司(Revision Military)制造的“动态作业服”(KOS)是最先进的外骨骼之一。动态作业服保护士兵身体的面积是防弹衣和头盔的三倍,却几乎没有增加士兵运动时的负担。一套人工铰接脊椎将头盔(头盔包住了穿戴者的头部)的大部分重量转移到了穿戴的肩部装甲上;保护身体装甲的重量通过另一套人工脊椎被撞移到穿戴者的臀部和腿部。此种承重设计降低了穿戴者颈部和背部下方承受的压力,这些部位的人体关节是最脆弱的。虽然如此,穿戴者的腿部仍然要承受额外重量。为了减轻腿部承受的压力,动态作业服的下肢部位装甲安装了一个钛铝合金制造的轴;动态作业服内置电动机在接收到加速计和其他内置感应的信号后,依据士兵的腿部运动来驱动钛铝合金轴。

布莱恩·道林是前美军特种部队士兵,现在为修正军事公司的员工,他表示动态作业服既足够灵活也足够坚固,能让穿戴者进行跑动、携带全部负载、走过崎岖地面。包括美军在内的多国军方均作出此类评价。

第二套外骨骼由美国特种部队自行开发,其设计指标甚至超过了动态作业服;该外骨骼项目的承包商包括很多知名美国防务组织,例如通用动力公司,洛克希德马丁公司和雷神公司。有意思的是,遗留效应(Legacy Effects)公司也是该项目的承包商,遗留效应公司设计了科幻电影《钢铁侠》里的外骨骼。这些公司共同制造的外骨骼被称为“战术攻击轻型作业服”,英语缩写为TALOS,塔洛斯(Talos)是古希腊神话中一个有生命的青铜像的名字。

TALOS的重量是穿戴士兵体重的两倍;虽然如此,导致外骨骼重量增加的零部件能抵抗子弹和弹片的攻击。TALOS还配置了一套冷却系统,一套监控穿戴者生理机能的感应器,并让穿戴者具有超人的力量。约瑟夫·沃特将军是特种作战司令部的指挥官,他表示TALOS具备“无与伦比的战术能力”。

当然,还未确定TALOS真能实现这样的目的。首先,TALOS的致动器的灵活性要得到提高。TALOS很难模仿人体肩部的动作,肩部是人体最灵活的部位;并且TALOS的便携电池提供的电力也不足。通用原子公司建议设计一套内燃机来驱动TALOS,该公司被人们认为是一家防务公司。士兵可能不愿背着一箱汽油上战场,这是有道理的。TALOS的原型机要到2018才能制造出来,而战斗型号至少还需要十年才能制造出来。即便是修正军事公司更先进的外骨骼系统,在未来数年内也不适合战斗要求。同时,世界各个军队在研究无动力外骨骼概念。

例如,澳大利亚国防部设计了一套外骨骼, 该外骨骼能转移背包或护臀装甲的大部分重量直接转移到穿戴者的靴子上。两条由挠性管包裹的钢缆被一圈圈地安装在穿戴者的裤子里,直接由背包或靴子装甲驱动。

这些钢缆传递负载。扰性管能防止钢缆缠绕,让钢缆承载负载的同时让穿戴者有足够的灵活性进行无障碍行走或跑动。该外骨骼只是原型产品,但另外两种分别由洛克希德马丁公司和英国防务巨头——英国宇航公司制造的无动力外骨骼已经处于使用状态,但不是在战场上,而是在工业领域。

一个拿着射钉枪或类似沉重工具的工人必须时不时地放下工具,晃一晃手臂,以恢复体力,因此,工人的工作时间有一半用来休息。为了应对这种情况,洛克希德马丁国内公司设计一套名为FORTIS的无动力外骨骼,其重量为17.5公斤。FORTIS外骨骼已经被美国海军和其他十多家制造公司所采用。FORTIS利用铝制框架来支撑一个万向臂,这个万向臂的一头在在工人前面,用于连接使用的工具。

万向臂的另一端在工人的背后,连接着一个适当的配重物。不论工人被设想为站着工作还是跪着工作,工具和配重物的总重量都是通过外骨骼传输到地面,而不是通过工人的骨骼。因此,工具用起来像是没有重量,工人不需要花多大力气来操作它。此外,工具连接在外骨骼上而不是由工人用手拿着,这样的布局能防止工具掉落砸伤工人。

国家制造科学中心的戴娜·埃利斯认为矫正负载辅助设备( Orthotic Load Assistance Device)是FORTIS系统和BAE系统的竞争系统,能将生产效率提高50%。国家制造科学中心设在美国密歇根州安阿伯市,致力于帮助生产厂商和美国国防部使用外骨骼技术。洛克希德马丁公司的外骨骼项目负责人翠西·埃尔克(Trish Aelker)声称:在美国海军造船厂,两个穿戴FORTIS外骨骼系统的工人使用一台研磨机完成的工作量比原来的三人团队还多。翠西·埃尔克还表示这两个工人在下班时并没有像平常那样累得要“回家就躺倒沙发上”。

汽车制造厂商也对外骨骼感兴趣。在今年(2015年)早期,奥迪、戴姆勒和其他三家不愿透露名称的公司开始测试一款有瑞士努尼(Noonee)公司制造的“无椅之椅”。无椅之椅是一套装有填充物的钛金属外骨骼,能被工人穿在臀部、大腿和小腿上,只要按下按钮,就能锁定内置液压装置,让穿戴者保持坐姿,直至穿戴者试图站起来。

解除液压装置锁定过程为自动解锁,让穿戴者能站起来。无椅之椅的重量不到4公斤,因此,当穿戴者站立或四处走动的时候,没有丝毫不便。只要按下按钮,无椅之椅就能让穿戴者舒服地蹲在未完工的汽车框架里,以便完成车身制造工作。坦贾·偕贝拉·内夫(Tanja Schembera-Kneifel)是奥迪汽车公司从事产品测试的人员,他表示无椅之椅解决了工人的肌肉骨骼系统的难题,也降低了缺勤率。奥迪公司计划大规模使用无椅之椅。

另一些局部外骨骼也在计划之中。个人提举辅助装置就是其中之一,该装置由多伦多怀雅逊大学的穆罕默德·阿卜杜勒·额拉马克博士设计,多家汽车制造厂商正对其进行测试。穆罕默德·阿卜杜勒·额拉马克博士的发明使用了一套铠装弹簧;当穿戴者弯腰去抓取并提起物品时,弹簧伸展,降低为了穿戴者抵抗地球引力而将身体拉回的力量,随后,穿戴者站立,弹簧收缩,拉起穿戴者的躯干,能减少穿戴者肌肉15%的压力。

另一款半外骨骼,由美国匹兹堡卡耐基梅隆大学在今年的早期公布,被命名为“行走辅助离合器”;其位置为脚踝和小腿,使用一根橡皮筋来降低脚踝肌肉的运动压力,而其他部件暴露在外。当橡皮筋拉紧时,橡皮筋存储能量,随后橡皮筋收缩,让脚跟提起,帮助脚离开地面。按照发明者史蒂夫·柯林斯的说法,行走辅助离合器能节省行走7%的能量。对于步兵这样的人员,行走辅助离合器是有价值的装备。

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加快进度

最后,虽然动力型外骨骼可能是外骨骼的未来发展趋势。例如,欧盟就为一个名为研发“机器伴侣”的跨国外骨骼项目投入了1500万欧元(1700万美元)。“机器伴侣”的安装有上肢和下肢都安装一台电动机,能承担人体承受重量的90%。“机器伴侣”将于2016年开始测试。菲亚特汽车公司是多个试用“机器伴侣”的公司之一。(菲亚特的董事长约翰·埃尔康是《经济学人》母公司董事会的成员。)法国INDRA公司是另一家试用“机器伴侣”的公司,INDRA是一家高度劳动密集型汽车拆解和回收公司。

“机器伴侣”并非唯一。日本机动装料公司的“动力连接”外骨骼,该公司为日本松下子公司;另一家日本公司Hal的“生化人”外骨骼,意大利比萨圣安娜高等学校机器人实验室的“身体外延器”外骨骼都处于研发之中。这些外骨骼的功能不局限于提高当前工人的安全性和提高生产效率。

卡曼·康斯坦丁内斯库是德国斯图加特市弗劳恩霍夫研究所“机器伴侣”的项目经理,他注意到人们将重新定义谁能成为工人。在抵消了男性的力量优势后,外骨骼能让女性从事很多原来由男性从事的重体力劳动。外骨骼还为年老的男性提供帮助,让他们不必放弃工作。

有一类人群的生活会因动力外骨骼而被大幅度地改变,他们就是截瘫患者。以色列“重走机器人”公司和美国俄亥俄州派克汉尼汾公司都制造出了能穿在腿上的装置,这些装置包含一套人工腰带和配有两个带动力装置的腿部关节,与穿戴者的手臂上系上一对手杖配合使用,在电池电量耗光之前,能让穿戴者行走数小时。这些装置能让穿戴者走上班机的梯子。

重走机器人公司的产品分已经别于2012年在欧洲和2014年在美国出售。派克汉尼汾公司已经在(2015年)9月获得批准,美国的批准也会很快下达。外骨骼将以多种形式出现,其中一些将用在战场上,而另一些只要能帮助穿戴者上楼梯就够了。

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