未来智库 > 可穿戴论文 > 【可穿戴的机械衣】
    如果你是电影或漫画《钢铁侠》的粉丝,相信你会对主人公斯塔克那套攻击和防御能力强大,还能飞入外太空的铠甲充满向往。不少人必然还会边看边想:“要是我有这么一套盔甲该多帅气!”而或许这一切将不会是虚构的故事,因为一些美国和日本的公司已经研制出可以像盔甲一样可以穿戴在人身上、通过传感器进行控制,在军事上可以帮助士兵提高作战能力,在民用方面则能实现残疾人自如行走的梦想的外骨骼装置。
    美国希望量产“钢铁侠”
    早在漫画版本《钢铁侠》诞生前两年的1961年,五角大楼就已经采纳研制现实版的机械盔甲的建议了,当时的目标就是为了让士兵能够移动得更快,能轻松抬起重物,并且可以抵抗细菌战、毒气战与核辐射。到20世纪60年代中期,美国康奈尔大学的工程师尼尔·米兹就开发了一副重量为15.8公斤的可穿戴式框架外骨骼,被称为“超人服”。
    而同时,通用电气公司也开发出了一个高5.5米的装置,使用者可以在里面进行操控——就类似于电影中的机械战警。在20世纪80年代,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们设计了一种叫做“皮特曼西装”的全身穿戴的机械外骨骼,准备提供给美国陆军步兵使用,只不过它停留在了图纸上。到了20世纪90年代,美国陆军研究实验室制作出了一套类似的“西服”,但是却并未真正地投入到使用中去。
    直到2000年以后,机械外套的开发才有了真正的突破。美国Sarcos公司率先开发出了一个通过传感器检测肌肉收缩并且模拟人体肌肉和关节运动的装置,称其为XOS。2005年,该公司被美国雷神公司Raytheon收购,雷神于是在2007推出了一款名为Sarcos XOS的外骨骼装置,又在2010年推出了名为Sarcos XOS2的升级版。在其发布的广告中,还很应景地找来了《钢铁侠》电影中饰演神盾特工的克拉克·格雷格来做旁白。
    该装备更为轻便灵动,一旦穿上就可以轻松举起重达91公斤的物体,单手劈开厚达5厘米的木板,奔跑时速16公里,做几百个俯卧撑也是小菜一碟。雷神公司表示这种装备是为美国陆军量身打造,士兵们穿戴上之后仍然可以自由运动,能完成蹲起和踢球等动作,而且新一代产品更加轻便灵动,抗打击能力强,可以更好地适应外界环境的变化,噪音跟办公室打印机差不多,并且比第一代省电达50%。
    同时,机械外骨骼的电池目前已经能够实现长达20小时的续航时间,而为机械外骨骼配备的GPS导航系统和能够监测使用者的心跳和呼吸平率的装置也正在研发之中。
    总的来说,这些概念产品虽然看起来新鲜又有趣,但在实际操作中却不那么好用,最大的缺陷就是不灵活,太笨重。多年来困扰着设计者们的一个问题就是传感器反应太慢,不能迅速而顺利地完成机械外套穿戴者发出的指令和动作。而且至今没有一套装置可以达到便携,供给系统能量的电池总是太过笨重。
    虽然至今还没有任何装置可以完全像人体一样工作,但是打造新一代钢铁战士的“战衣”的开发依然进行得如火如荼。而且有趣的是,尽管研发的最初目的是作为军事用途,但现在民用机械外骨骼研发使用却走在了前面。
    从军用到民用
    日本筑波大学Cybernics实验室的科学家研制出了世界上第一种机械腿。它完全由使用者通过控制器来控制,HAL由背包、内置计算机、电池、感应控制设备、4个电传装置(分布在髋关节和膝关节两侧)组成。这种帮助人行走的外骨骼动力辅助系统配置了多种传感器,如角辨向器、肌电传感器、地面传感器等,所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中由使用者佩戴,外骨骼装在腿上,电池则挂在腰部。该装置还可以自动调整人的姿态,尽量让使用者感到舒适。
    同时,神奈川理工学院研制的“动力辅助服”还可以使人的力量增加0.5—1倍,这种装置最初是为护士研制,方便她们照顾那些体重较大或无法行走的病人。而在美国,一家名为Ekso公司也面向市场推出了一款与HAL原理类似的机械外骨骼。
    42岁的阿曼达·博克斯特尔是Ekso公司产品的一名使用者,18年前因为滑雪中发生意外导致脊柱受损而瘫痪。所有医生都告诉她:“你永远无法再行走了。”但是在机械外骨骼的帮助下,她又可以站立行走了。“我几乎已经忘记自己有多高,也忘记了可以平视他人的感觉是多么好。”在初次使用这一装备时,她经过了总共12个小时的适应性训练,终于能够顺利地行走。现在,她还成为了Esko的品牌推广大使,向瘫痪者们推广和展示这一产品的使用方法,对于她来说这一方面是对这一产品的感谢,另一方面也出于她迫不及待想要尝试她的新腿的心情。
    Ekso由加州大学伯克利分校的几名工程师创立于2005年,其名字正是来自于英文单词 “exoskeleton”(外骨骼)。这家公司最初的资金来源是美国国防部,而后又与加利福尼亚大学伯克利分校和军事承包商洛克希德马丁合作,已经开发了一种名叫Hulc的装置,通过穿戴这一装置,士兵可以负载沉重的装备穿越复杂地形。Ekso还与美国各地的康复中心合作,将其设计出的仿生学套装运用于瘫痪病人的站立和行走。
    Ekso的装备重约23公斤,由碳素纤维和钢材料制成,电池续航时间为3小时,使用者穿戴好之后还需要配合两根拐杖,通过握在使用者手中的手柄上的按键控制行动。Ekso公司还特别指出,这一装置能保证使用者不会摔倒。据他们统计,已经有数百名患者使用过这种套装行走,还从没有人摔倒过。
    只是残疾人想现在实现轻松自如地上下楼梯,出门上班或是下厨准备晚饭还是个不可能完成的任务,他们甚至还不能独立使用这种套装,需要物理治疗师从旁协助和更换电池。另外,机械外骨骼的重量决定了它并不是适用于每一个使用者,身体承受重量的能力比较强,上肢力量比较强的患者会更加适合使用它。
    Esko公司从今年2月份开始销售机械外骨骼,每套的价格为14万美元。目前,这种产品被用于物理疗法,帮助人们摆脱轮椅和使用下半身,以防止长期不运动导致其肌肉坏死。在美国大约有15家康复中心目前正在使用这种装置。在世界各地的康复中心,这样的外骨骼装置也开始得以使用,日本的HAL机械腿可供出租或租借给日本的医疗设施,而新西兰的雷克斯公司推出的外骨骼也可以通过他们的网站进行购买了。虽然机械外骨骼售价非常高昂,但Esko的CEO伊索尔·本德尔却非常有信心地表示:机械外骨骼不但在将来能够变得更加轻便小巧,可以穿到衣服里面,而且价格能够让更多人负担得起,成为一种日常消费品,甚至在附近的商店里也可以买得到。
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