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體力勞動者的福音!100斤重物,輕鬆背起!

小時候,大家可能都幻想過變身鋼鐵俠成為保護世界和平的英雄。

除了對英雄的嚮往,估計不少人只是單純地痴迷於鋼鐵俠的戰衣。造型酷炫不說,還無所不能。

真英雄不回頭看爆炸

圖源:鋼鐵俠

但你有沒有想過,在未來,也許人人都能穿上機械戰甲變「鐵人」?

遊戲《死亡擱淺》里,廢土快遞員主角身穿上一種叫力量骨架的裝備,就能背著一摞重量驚人的貨物四處奔波。

沖沖沖

圖源:死亡擱淺

兩年前,科幻遊戲的設定出現在了上海街頭——外賣小哥腿上穿著一套機械骨架,靠它的支撐輕鬆背起了一大摞外賣箱。

完全一致

圖源:界面新聞

這種貼合人體、給人體機能提供支持的機械結構,有一個專門的名字叫作「機械外骨骼」。這位外賣小哥使用的是一款下肢外骨骼,由背負系統、髖關節、膝關節、腳踝落地部分等多個部件組成,能幫助他背起重達100斤的物品。

下肢外骨骼證件照

圖源:ulsrobotics

所以這平平無奇幾塊鋼板是怎麼讓外賣小哥變身大力士的呢?

這款下肢外骨骼是一種動力外骨骼,又叫作主動型外骨骼。顧名思義,這種外骨骼是由電驅動的,用電力給人提供額外的力量。叫「主動型」的一個原因,是因為這種外骨骼會主動配合人的行動

每一位穿戴外骨骼的人都有不同的目的和運動習慣。剛開始使用時,外骨骼需要一個適應使用者的過程。經過一段時間的相處,外骨骼逐漸熟悉使用者的運動習慣,就能越來越準確地判斷他們的運動意圖,並配合他們做出最恰當的助力。

這麼一想,動力外骨骼能對外界情況作出反應,和機器人有點相似。因此,我們通常也把它叫作外骨骼機器人

我會思考!

圖源:robotics business review

那外賣小哥的機器腿跟鋼鐵俠有什麼關係呢?

作為增強人類身體能力的機器裝置,外骨骼的終極形態當然可以是一個鋼鐵俠的戰衣。雖然比不上斯塔克工業能實現各種逆天的操作,但現在已經有的全身外骨骼動力服能供特定行業工作者使用,為他們的工作提供幫助。

有點機甲內味兒

圖源:sarcos

這款叫Gaurdian XO的外骨骼動力服是在工廠、建築工地、倉庫等場景工作的體力勞動者的大救星。它的電池有8小時的續航能力,最大能增強工人20倍,讓他們能抬起最高達180斤的重量。不僅能增強力量,這款動力服還可以幫助工人對抗作業過程中的重力和慣性等阻礙,讓他們的動作更加輕鬆順暢,減輕肌肉勞損。

目前,機械外骨骼最廣泛應用的領域就是體力勞動。增強握力的動力手套、助力頭頂作業的肩頸支撐、為反覆抬重物蹲起設計的背部支撐……各式各樣的外骨骼為不同的身體部位提供支持,給建設、電工、物流等各行各業的體力勞動者加「buff」不僅省力,還幫助降低受傷的風險。

手套

圖源:Bioservo Technologies

肩頸支撐

圖源:Lavitate Technologies

背部支撐

圖源:Exoskeleton Report

除了體力勞動,機械外骨骼還可以用在哪兒呢?

醫療是外骨骼應用的另一個重要領域。特殊設計的下肢外骨骼,可以幫助由於中風、脊柱損傷等疾病導致的行走能力受損的人群更快康復,重新下地行走。

幫助脊柱損傷病人

行走的外骨骼

加速中風病人康復

的外骨骼

甚至,助力行走的外骨骼也可以進入大家的日常生活,不僅讓你變身飛毛腿,還能邊走邊發電?

斯坦福大學的研究者研發出了一款電力驅動的下肢外骨骼,給大學生穿上後,他們的行走速度平均提高了40%。

加拿大女王大學的另一群研究者設計出了一種自帶發電裝置的外骨骼——發電裝置捕獲走路時腿部肌肉產生的機械能,將其轉化成電能,可以為小功率的電子器件充電。這樣,外出沒有帶充電寶也不用擔心,可以邊走路邊為手機充電了!

人型皮卡丘!

圖源:tenor

發電的同時,穿著者每邁出一步所消耗的身體能量還會減少2.5%。人在行走時,每走一步,在邁出的腿接觸地面之前,大腿肌肉都需要收縮,來給腿「剎車」,而這個過程需要消耗能量。外骨骼判斷穿戴者的行走動作,在需要「剎車」的時候為肌肉提供輔助力量,這樣就能減少人體消耗的能量。

這樣的行走外骨骼,在未來說不定能成為自行車之外的另一種既輕便又快速的代步工具。每一步都走得更快更輕鬆,在場的各位「家裡蹲」就更沒有理由不出門散散步健健身咯!

另外,外骨骼不一定全是堅硬的——看這款用柔軟材料做成的貼身動力服,雖然能儲存的電量有限,但也足夠為關鍵的肌肉群提供助力,幫助穿戴者更輕鬆地完成上下樓梯、起身等動作。這對行動困難的老年人尤其有幫助。

柔軟貼身!

圖源:Superflex

喜歡登山、攀岩、滑雪等戶外活動的朋友,如果有這樣一套輕便貼身的衣服,豈不也是一件美事!

在外骨骼廣泛應用的未來,外賣小哥和建築工人能更輕鬆、安全地完成工作,中風病人能更快恢復正常行走,而如果你在街上見到穿著下肢外骨骼瘋狂跑圈的人,TA可能只是手機沒電了。

當機器能適應人類、配合人類,人體和機器的關係將會更加緊密,而人和機器的界限又是否會變得模糊?機器輔助體力勞動者的現狀,最終是否會演變成機器代替人類?外骨骼的普及也將引發我們對人機關係的進一步思考

∧∨上下翻動查看參考內容

· https://www.jiemian.com/article/4299951.html

· https://www.sarcos.com/products/guardian-xo-powered-exoskeleton/

· https://www.bigrentz.com/blog/construction-exoskeletons

· http://news.yangtse.com/zncontent/785333.html

· https://ieeexplore.ieee.org/document/9408629

· https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba9947

· https://www.x-mol.com/news/679256

· https://www.nytimes.com/2021/08/18/well/move/exoskeleton-suit-walking-running.html

· https://www.nbcnews.com/mach/innovation/robotic-exoskeletons-are-changing-lives-surprising-ways-n722676

鳴謝: 中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員 王冉冉為本文提供科學指導。

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轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯繫原公眾號

來源:上海科技館

編輯:牧魚

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