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外骨骼,要不要配置動力裝置,這是個問題。

人類外骨骼

全金屬外套

從戰場、工廠到整形外科門診,可穿在身上的人工骨骼和肌肉為穿戴者提供了幫助和保護。

外骨骼,要不要配置動力裝置,這是個問題。

士兵的裝備反應了他們的首次作戰體驗,即身體有多少面積沒有被防彈衣和頭盔覆蓋?結果是81%的身體表面沒有被保護。要保護這些身體部位,防護裝置重量增加,不具備實用性。確實,很多士兵要攜帶至少50公斤的裝備和給養,此重量為美國陸軍科學委員會建議的防止士兵骨骼和肌肉損傷極限重量的兩倍。

很多人建議的解決方法就是第二種配置了完整人工肌肉的外骨骼,該外骨骼能讓穿戴者毫不費力地攜帶更多重量。此外,這種外骨骼不再是科幻小說里的物件。不論在戰場上還是在戰場外,越來越多的人對外骨骼的用途感興趣。

佛蒙特州的修正軍事公司(Revision Military)製造的「動態作業服」(KOS)是最先進的外骨骼之一。動態作業服保護士兵身體的面積是防彈衣和頭盔的三倍,卻幾乎沒有增加士兵運動時的負擔。一套人工鉸接脊椎將頭盔(頭盔包住了穿戴者的頭部)的大部分重量轉移到了穿戴的肩部裝甲上;保護身體裝甲的重量通過另一套人工脊椎被撞移到穿戴者的臀部和腿部。此種承重設計降低了穿戴者頸部和背部下方承受的壓力,這些部位的人體關節是最脆弱的。雖然如此,穿戴者的腿部仍然要承受額外重量。為了減輕腿部承受的壓力,動態作業服的下肢部位裝甲安裝了一個鈦鋁合金製造的軸;動態作業服內置電動機在接收到加速計和其他內置感應的信號後,依據士兵的腿部運動來驅動鈦鋁合金軸。

布萊恩·道林是前美軍特種部隊士兵,現在為修正軍事公司的員工,他表示動態作業服既足夠靈活也足夠堅固,能讓穿戴者進行跑動、攜帶全部負載、走過崎嶇地面。包括美軍在內的多國軍方均作出此類評價。

第二套外骨骼由美國特種部隊自行開發,其設計指標甚至超過了動態作業服;該外骨骼項目的承包商包括很多知名美國防務組織,例如通用動力公司,洛克希德馬丁公司和雷神公司。有意思的是,遺留效應(Legacy Effects)公司也是該項目的承包商,遺留效應公司設計了科幻電影《鋼鐵俠》里的外骨骼。這些公司共同製造的外骨骼被稱為「戰術攻擊輕型作業服」,英語縮寫為TALOS,塔洛斯(Talos)是古希臘神話中一個有生命的青銅像的名字。

TALOS的重量是穿戴士兵體重的兩倍;雖然如此,導致外骨骼重量增加的零部件能抵抗子彈和彈片的攻擊。TALOS還配置了一套冷卻系統,一套監控穿戴者生理機能的感應器,並讓穿戴者具有超人的力量。約瑟夫·沃特將軍是特種作戰司令部的指揮官,他表示TALOS具備「無與倫比的戰術能力」。

當然,還未確定TALOS真能實現這樣的目的。首先,TALOS的致動器的靈活性要得到提高。TALOS很難模仿人體肩部的動作,肩部是人體最靈活的部位;並且TALOS的便攜電池提供的電力也不足。通用原子公司建議設計一套內燃機來驅動TALOS,該公司被人們認為是一家防務公司。士兵可能不願背著一箱汽油上戰場,這是有道理的。TALOS的原型機要到2018才能製造出來,而戰鬥型號至少還需要十年才能製造出來。即便是修正軍事公司更先進的外骨骼系統,在未來數年內也不適合戰鬥要求。同時,世界各個軍隊在研究無動力外骨骼概念。

例如,澳大利亞國防部設計了一套外骨骼, 該外骨骼能轉移背包或護臀裝甲的大部分重量直接轉移到穿戴者的靴子上。兩條由撓性管包裹的鋼纜被一圈圈地安裝在穿戴者的褲子里,直接由背包或靴子裝甲驅動。

這些鋼纜傳遞負載。擾性管能防止鋼纜纏繞,讓鋼纜承載負載的同時讓穿戴者有足夠的靈活性進行無障礙行走或跑動。該外骨骼只是原型產品,但另外兩種分別由洛克希德馬丁公司和英國防務巨頭——英國宇航公司製造的無動力外骨骼已經處於使用狀態,但不是在戰場上,而是在工業領域。

一個拿著射釘槍或類似沉重工具的工人必須時不時地放下工具,晃一晃手臂,以恢復體力,因此,工人的工作時間有一半用來休息。為了應對這種情況,洛克希德馬丁國內公司設計一套名為FORTIS的無動力外骨骼,其重量為17.5公斤。FORTIS外骨骼已經被美國海軍和其他十多家製造公司所採用。FORTIS利用鋁製框架來支撐一個萬向臂,這個萬向臂的一頭在在工人前面,用於連接使用的工具。

萬向臂的另一端在工人的背後,連接著一個適當的配重物。不論工人被設想為站著工作還是跪著工作,工具和配重物的總重量都是通過外骨骼傳輸到地面,而不是通過工人的骨骼。因此,工具用起來像是沒有重量,工人不需要花多大力氣來操作它。此外,工具連接在外骨骼上而不是由工人用手拿著,這樣的布局能防止工具掉落砸傷工人。

國家製造科學中心的戴娜·埃利斯認為矯正負載輔助設備( Orthotic Load Assistance Device)是FORTIS系統和BAE系統的競爭系統,能將生產效率提高50%。國家製造科學中心設在美國密歇根州安阿伯市,致力於幫助生產廠商和美國國防部使用外骨骼技術。洛克希德馬丁公司的外骨骼項目負責人翠西·埃爾克(Trish Aelker)聲稱:在美國海軍造船廠,兩個穿戴FORTIS外骨骼系統的工人使用一台研磨機完成的工作量比原來的三人團隊還多。翠西·埃爾克還表示這兩個工人在下班時並沒有像平常那樣累得要「回家就躺倒沙發上」。

汽車製造廠商也對外骨骼感興趣。在今年(2015年)早期,奧迪、戴姆勒和其他三家不願透露名稱的公司開始測試一款有瑞士努尼(Noonee)公司製造的「無椅之椅」。無椅之椅是一套裝有填充物的鈦金屬外骨骼,能被工人穿在臀部、大腿和小腿上,只要按下按鈕,就能鎖定內置液壓裝置,讓穿戴者保持坐姿,直至穿戴者試圖站起來。

解除液壓裝置鎖定過程為自動解鎖,讓穿戴者能站起來。無椅之椅的重量不到4公斤,因此,當穿戴者站立或四處走動的時候,沒有絲毫不便。只要按下按鈕,無椅之椅就能讓穿戴者舒服地蹲在未完工的汽車框架里,以便完成車身製造工作。坦賈·偕貝拉·內夫(Tanja Schembera-Kneifel)是奧迪汽車公司從事產品測試的人員,他表示無椅之椅解決了工人的肌肉骨骼系統的難題,也降低了缺勤率。奧迪公司計劃大規模使用無椅之椅。

另一些局部外骨骼也在計劃之中。個人提舉輔助裝置就是其中之一,該裝置由多倫多懷雅遜大學的穆罕默德·阿卜杜勒·額拉馬克博士設計,多家汽車製造廠商正對其進行測試。穆罕默德·阿卜杜勒·額拉馬克博士的發明使用了一套鎧裝彈簧;當穿戴者彎腰去抓取並提起物品時,彈簧伸展,降低為了穿戴者抵抗地球引力而將身體拉回的力量,隨後,穿戴者站立,彈簧收縮,拉起穿戴者的軀幹,能減少穿戴者肌肉15%的壓力。

另一款半外骨骼,由美國匹茲堡卡耐基梅隆大學在今年的早期公布,被命名為「行走輔助離合器」;其位置為腳踝和小腿,使用一根橡皮筋來降低腳踝肌肉的運動壓力,而其他部件暴露在外。當橡皮筋拉緊時,橡皮筋存儲能量,隨後橡皮筋收縮,讓腳跟提起,幫助腳離開地面。按照發明者史蒂夫·柯林斯的說法,行走輔助離合器能節省行走7%的能量。對於步兵這樣的人員,行走輔助離合器是有價值的裝備。

外骨骼,要不要配置動力裝置,這是個問題。?

加快進度

最後,雖然動力型外骨骼可能是外骨骼的未來發展趨勢。例如,歐盟就為一個名為研發「機器伴侶」的跨國外骨骼項目投入了1500萬歐元(1700萬美元)。「機器伴侶」的安裝有上肢和下肢都安裝一台電動機,能承擔人體承受重量的90%。「機器伴侶」將於2016年開始測試。菲亞特汽車公司是多個試用「機器伴侶」的公司之一。(菲亞特的董事長約翰·埃爾康是《經濟學人》母公司董事會的成員。)法國INDRA公司是另一家試用「機器伴侶」的公司,INDRA是一家高度勞動密集型汽車拆解和回收公司。

「機器伴侶」並非唯一。日本機動裝料公司的「動力連接」外骨骼,該公司為日本松下子公司;另一家日本公司Hal的「生化人」外骨骼,義大利比薩聖安娜高等學校機器人實驗室的「身體外延器」外骨骼都處於研發之中。這些外骨骼的功能不局限於提高當前工人的安全性和提高生產效率。

卡曼·康斯坦丁內斯庫是德國斯圖加特市弗勞恩霍夫研究所「機器伴侶」的項目經理,他注意到人們將重新定義誰能成為工人。在抵消了男性的力量優勢後,外骨骼能讓女性從事很多原來由男性從事的重體力勞動。外骨骼還為年老的男性提供幫助,讓他們不必放棄工作。

有一類人群的生活會因動力外骨骼而被大幅度地改變,他們就是截癱患者。以色列「重走機器人」公司和美國俄亥俄州派克漢尼汾公司都製造出了能穿在腿上的裝置,這些裝置包含一套人工腰帶和配有兩個帶動力裝置的腿部關節,與穿戴者的手臂上繫上一對手杖配合使用,在電池電量耗光之前,能讓穿戴者行走數小時。這些裝置能讓穿戴者走上班機的梯子。

重走機器人公司的產品分已經別於2012年在歐洲和2014年在美國出售。派克漢尼汾公司已經在(2015年)9月獲得批准,美國的批准也會很快下達。外骨骼將以多種形式出現,其中一些將用在戰場上,而另一些只要能幫助穿戴者上樓梯就夠了。

作者寫於2016-01-13
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