动力服
动力外骨骼（英语：powered exoskeleton），也称机械外骨骼、动力装甲（powered armor）或动力服（powered suit）[1]，是一类可穿戴在人身上用来增强肢体结构强度、运动力量和耐力的机器。动力外骨骼设计旨在提供结构支撑，感知用户的运动并向管理齿轮的电动机发送信号。外骨骼支撑肩部，腰部和大腿，并协助移动以举起和握住重物，同时降低背部压力[2]。
根据其能源来源可分为有源外骨骼与无源外骨骼：
- 有源外骨骼带有执行器，可代替使用者自身的肌肉输出机械功（使用者其实只负责操控机器），但需要储能装备或外部供电保障其运行。这种外骨骼通常由电动机、气动系统、杠杆、液压系统或多种机电工程技术组合提供动力[3]；
- 无源外骨骼本质上是一种保护性的假肢装具，是通过机械本身的材料和结构设计强度将负重绕过人体传导至地面，或使用杠杆、滑轮、液压缓冲等机械设计来获取机械利益并减震，从而降低使用者做等长运动（比如搬运重物并将其维持在不变的高度）时的负担以及降低遭受重复性劳损甚至工伤的风险[4]，但外骨骼本身并没有主动做功的能力。
开发与应用
[编辑]外骨骼根据其民用、军用的不同使用场景，其功能各具特色。在民用方面，日本的三井住友银行就曾为搬运沉重钞票及硬币的年迈员工配备外骨骼，来降低员工的身体负担[5]。在军用方面，中华人民共和国则为卫生员开发了用于战场一线区域救护伤员的无源外骨骼[4]。
第一套外骨骼动力服在1960年代由通用电气公司与美国军队开发，当时命名为Hardiman，穿著这套装备时举起150公斤的物体就像举起6公斤的物体一样轻松。不过这套服装是不实用的，因为它本身重达680公斤。
- 美国
- 中华人民共和国
- 中国兵器工业集团202研究所研制的单兵外骨骼系统于2015年7月在中国军民融合技术装备博览会上首次亮相。该单兵外骨骼系统公开的技术指标为：额定负重35千克；额定搬运50千克。在额定负重下单兵平均步速4.5千米/小时，可连续行走约20千米。[6]
- 2020年10月，CCTV-7《军事科技》节目中公开的被动型、无源的卫生员单兵外骨骼。它不能够增加使用者的力量，但可以把负重传到地面。[4]
- 中国航天科工集团二院206所研制的搬运外骨骼曾在嫦娥5号返回器搜索回收任务中使用。它包含上肢助力模块和下肢助力模块，通过电动直驱助力模块及智能步态分析算法，配合人体上下肢关节发力，降低人体能耗。该搬运外骨骼负载能力达50公斤，在负重搬运机动时可省力约60%，节约人体能耗约30%，动作识别准确率大于99.9%，可在零下40摄氏度至70摄氏度间正常工作，耐受湿度最大为98%，标配的可更换电池在综合工况下可持续工作约4小时。[7]
- 中华民国
- 2019年国防部军备局编列新台币4300万元预算研发肌耐力增强型动力外骨骼系统，让原本需要4人搬运的98公斤自走炮炮弹，单兵即可搬运[8]。
- 2021年10月26日，国防部在例行记者会上披露了军用动力外骨骼装备的研发进展，介绍了其发展方向分为“野战型”与“荷重型”，共耗资新台币1.69亿元，前者已研发成功，后者正在研发中[9][10][11]。
- 2024年根据国防部近期送至立法院的预算解冻报告内容所示，军备局研制的“动力外骨骼系统”今年起进入第二阶段，也就是包含膝、髋、肩、肘等部位的“野战全身型”，预计2027年研制完毕[12]。。
- 日本
- Cyberdyne公司的HAL 5混合助力肢体（Hybrid Assistive Limb 5）获得日本设计振兴会颁发的优良设计奖金奖[13]，可应用于医疗复健领域[14]，工场工人，或其他搬运场景[15]。
- 本田技研工业公司的外骨骼腿。
- 佐川电子（Sagawa Electronics Inc.）的“Powered Jacket MK3”[16]。
- 俄罗斯
俄罗斯第3中央研究所勇士-21外骨骼系统。
- 巴西
- 2014年世界杯开幕式上，截瘫青年朱利亚诺·平托(Juliano Pinto)借助外置机械骨骼开球[17]。这个外置机械骨骼是在杜克大学的巴西籍神经科学家米格尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis, 和Nicolelis Lab （页面存档备份，存于互联网档案馆））博士领导的150多名研究人员的帮助下创建的。 研究人员共同成果是作为几所大学之间的合作的一部分，是非营利国际合作项目“再次行走计划”（Project Walk Again）的一个研究成果。
健康和安全
[编辑]动力外骨骼虽然可以减轻体力劳动的压力，但也可能带来危险[1]。 美国疾病控制与预防中心（CDC）呼吁进行研究，以解决该技术的潜在危险和益处，并指出对工人的潜在新危险因素，例如因为行动不便导致对于跌落物体躲避不及导致的人身伤害，和由于重心偏移导致的潜在的跌倒[18]。
截至2018年，美国职业安全与健康管理局尚未为动力服制定任何安全标准。 国际标准化组织于2014年发布了安全标准，美国材料和试验协会(ASTM International)正在研究将于2019年开始发布的标准[1]。
主要国际竞赛
[编辑]科幻世界
[编辑]科幻作品中也有众多作品将动力服概念作为各类重步兵的理论基础拿来发挥，例如《星舰战将》中机动步兵的动力服；《钢铁人》中的钢铁侠动力服；《浩劫杀阵》系列、《异尘馀生》系列、《战锤40000》《warframe》或《星海争霸》中的动力装甲、《使命召唤：高级战争》和《决胜时刻：黑色行动III》里的外骨骼动力服、终极动员令3：泰伯伦战争的区域装甲兵、终极动员令3：肯恩之怒的GDI分支、Z.O.C.O.M的区域突击兵、《最后一战》中斯巴达士兵穿著的装甲。许多真实系日本漫画和动漫更是将动力服的概念扩展成了各类人形机甲。
参考文献
[编辑]- ^ 1.0 1.1 1.2 Ferguson, Alan. Exoskeletons and injury prevention. Safety+Health Magazine. September 23, 2018 [October 19, 2018]. （原始内容存档于2021-04-10） （英语）.
- ^ Li, R.M.; Ng, P.L. Wearable Robotics, Industrial Robots and Construction Worker's Safety and Health. Advances in Human Factors in Robots and Unmanned Systems. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018, 595: 31–36. ISBN 9783319603834. doi:10.1007/978-3-319-60384-1_4.
- ^ Blake McGowan. Industrial Exoskeletons: What You're Not Hearing. Occupational Health & Safety. 2019-10-01 [2018-10-10]. （原始内容存档于2020-11-28） （英语）.
- ^ 4.0 4.1 4.2 中国军视网. 好酷的单兵外骨骼，卫生员穿上力量倍增，背起伤员飞奔. 澎湃号. 2020-10-06 [2020-10-08]. （原始内容存档于2020-10-07） （中文（中国大陆））.
- ^ 鈔票硬幣磚太重了！日本三井住友銀行為員工配備外骨骼裝輔助搬運. 瘾科技. 2015-05-09 [2015-09-21]. （原始内容存档于2019-10-30）.
- ^ 兰顺正. 《流浪地球》中推动“顶针”的神器——单兵外骨骼机器人. 中国日报. 科普中国. 2019-02-13 [2020-12-17]. （原始内容存档于2021-02-27）.
- ^ 郭超凯. 搬运外骨骼亮相嫦娥五号返回器搜索现场. 中新网. 2020年12月17日 [2020-12-17]. （原始内容存档于2020-12-17）.
- ^ cherryeye. 中華民國國軍研發動力外骨骼系統 搬運砲彈更方便. 中央社. 2019-10-30 [2019-10-30]. （原始内容存档于2020-08-25） （中文（台湾））.
- ^ 国防部发言人. 110年10月第4週例行記者會 軍用動力外骨骼系統研發與應用說明. 2021-10-26 [2022-03-25]. （原始内容存档于2022-03-25） （中文）.
- ^ 记者洪哲政. 耗資1.69億元 國軍研製「軍用動力外骨骼」無荷重設計. 联合报. 2021-10-26 [2021-10-26]. （原始内容存档于2022-03-21） （中文（台湾））.
- ^ 记者游凯翔. 國軍強化戰力 效仿美軍研發外骨骼系統首度曝光. 中央社. 2021-10-26 [2021-10-26]. （原始内容存档于2021-10-26） （中文（台湾））.
- ^ 记者涂钜旻. 打套進化「鋼鐵人」 國軍全身版外骨骼動力服2027年亮相. 自由时报. 2024-03-24 [2024-03-24]. 原始内容存档于2024-03-26 （中文（台湾））.
- ^ Robot Suit HAL-5. GOOD DESIGN AWARD. 2006-06-09 [2018-03-05]. （原始内容存档于2021-01-16）.
- ^ Tylor Lee. HAL Exoskeletons From Japan Will Be Coming To The US. ubergizmo. 2018-03-05 [2018-03-05]. （原始内容存档于2021-01-16）.
- ^ Smart walkers lead the way for Japanese elder-care robots. ITWorld.com. 16 October 2014 [2018-03-05]. （原始内容存档于2018-06-20）.
- ^ cherryeye. 日本廠商推出外骨骼動力服「Powered Jacket MK3」，高度模擬人類動作，全球限量 5 台. T客邦. 2013年7月9日 [2013-11-04]. （原始内容存档于2020-10-24）.
- ^ “机械战甲”为世界杯开球. 2014-06-24 [2015-01-09]. （原始内容存档于2015-01-09）.
- ^ Zingman, Alissa; Earnest, G. Scott; Lowe, Brian D.; Branche, Christine M. Exoskeletons in Construction: Will they reduce or create hazards?. Centers for Disease Control and Prevention. June 15, 2017 [July 8, 2017]. （原始内容存档于2021-04-11） （美国英语）.
- ^ About CYBATHLON. CYBATHLON. [1 September 2020]. （原始内容存档于2020-04-17） （英语）.
