近日，上海街頭這樣一幅景象引起不少人好奇圍觀：一位外賣小哥背著摞起來有一人高的外賣箱，行走、爬樓身輕如燕，仔細(xì)觀察，他的身上裝著一副類似鐵甲的機械外骨骼。
據(jù)報道，這套外骨骼機甲裝備是某外賣平臺的測試設(shè)備，主要使用場景是高峰期外賣騎手爬樓梯或是在不能騎行電瓶車的區(qū)域送餐。
該裝備的制造商在微博上解釋稱，外賣小哥在工作時，背負(fù)的重量可經(jīng)由機械裝置傳導(dǎo)到地面，不論背負(fù)的物體有多重，人體主要承擔(dān)操作力，肩膀承擔(dān)的力約為5—10公斤，力量一經(jīng)分散，外賣騎手背著100斤的東西就像背著一臺筆記本電腦，可以很輕松地行走。
這一事件引發(fā)了網(wǎng)友熱議：這不是科幻電影中的場景嗎，這么快就走進(jìn)現(xiàn)實了？更讓人疑惑的是，機械外骨骼設(shè)備是如何打造的，為什么能讓人在負(fù)重情況下依舊行動靈活？
機械外骨骼設(shè)計原理
據(jù)了解，機械外骨骼也稱動力外骨骼，是一種由鋼鐵及其他材料框架構(gòu)成的機械裝置，它源于生物學(xué)中外骨骼的概念，如軟體動物蝦、蟹的甲殼等。這個裝備可以為人體提供額外的能量，供四肢運動，其本質(zhì)就是將人類本身的力量和動作速度放大幾倍甚至上千倍。
機械外骨骼的研究最早始于20世紀(jì)60年代，1966年美國通用公司提出了哈德曼助力機器人的設(shè)想并開始研發(fā)，當(dāng)時制造出的電機驅(qū)動裝置可以幫助人類輕易舉起近百斤的重物，雖然這一項目后來由于經(jīng)濟(jì)原因停滯，但這一裝置成為了今天機械外骨骼的雛形。
一般而言，常見的機械外骨骼主要由4部分組成，即軟件控制系統(tǒng)、機械支撐系統(tǒng)、動力系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的工業(yè)機器人，機械外骨骼需要與人體聯(lián)動，在極短的時間內(nèi)判斷出使用者的動作意圖，并且給予恰如其分的幫助。
例如，裝備好可穿戴機械外骨骼以后，當(dāng)使用者試圖搬運重物時，手肘會發(fā)生彎曲，上臂的肌肉纖維組織緊靠在一起，從而牽動肌鍵運動，直觀表現(xiàn)就是肌肉隆起。這時，與皮膚相接觸的壓力傳感器通過采集肌肉收緊的強度和方向信息，可以感應(yīng)到使用者的動作意圖。它會把收集得到的數(shù)據(jù)資料傳達(dá)給位于軟件控制系統(tǒng)的信息處理器，計算出如何移動外骨骼可讓使用者自身用力最小，然后再把指令傳遞到機械支撐系統(tǒng)中相應(yīng)的關(guān)節(jié)，通過關(guān)節(jié)內(nèi)部的液壓機構(gòu)傳動裝置產(chǎn)生精確的力量，從而做到與人的動作同步。整個過程中，由動力系統(tǒng)來提供電力等能源支撐。
寶雞易能特電子科技有限公司總經(jīng)理劉啟帆表示，如果把使用者比作機械外骨骼的中心處理器，那么機械外骨骼可以看作是使用者肢體的延伸，這種人機合一協(xié)作模式能夠?qū)ν话l(fā)狀況或者未知環(huán)境迅速做出正確有效判斷，并且實時根據(jù)人的判斷做出響應(yīng)。這個過程理論上是有一點時滯的，但是機械外骨骼以每秒數(shù)千次的速度調(diào)整裝備的每一個關(guān)節(jié)，能夠像影子一樣跟隨人的動作，讓使用者幾乎察覺不到時滯的存在。
助力外賣小哥只是牛刀小試
這么“高大上”的裝備只用來送外賣是不是大材小用？除了應(yīng)用于負(fù)重和物流外，機械外骨骼還能給我們帶來什么驚喜？
據(jù)浙江大學(xué)機械工程學(xué)院教授楊燦軍介紹，從用途來看，機械外骨骼系統(tǒng)大致可以分為兩類，一類是控制型，一類是增力型。
控制型機械外骨骼是將人的靈活統(tǒng)治能力傳遞給機器裝置，主要應(yīng)用于人類自由活動難度較大的領(lǐng)域，例如對空間機器裝置的人機耦合控制、深海作業(yè)、山體滑坡搜救或是排雷等。目前多采用的是無線控制型機械外骨骼，包括一個外骨骼動作捕捉衣和一臺機械裝置。使用者穿戴動作捕捉衣，動作捕捉衣可實時采集人體上各關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為信息指令傳送到機械裝置上，機械裝置可根據(jù)信息指令對人體的肢體運動進(jìn)行實時模仿跟隨，機械裝置更接近于人直接作業(yè)形態(tài)。
而增力型機械外骨骼，常見為可穿戴型裝備，主要應(yīng)用在肌力增強、運動康復(fù)和國防軍工等領(lǐng)域，比如輔助殘疾人或老年人行走的機械外骨骼，以及美軍的單兵機械裝備。2004年，日本筑波大學(xué)教授山海嘉之成立了Cyberdyne公司，第二年就推出了一款混合輔助假肢（HAL），該裝置重達(dá)23公斤，其充電電池的續(xù)航時間接近2小時40分鐘，可通過探測到皮膚表面電信號，指令動力裝置控制肌肉和骨骼的移動。在HAL的幫助下，使用者不僅可以進(jìn)行正常的日常生活，還可以完成站立、步行、攀爬、抓握、舉重物等高難度動作。
那么，機械外骨骼需要根據(jù)使用者量身打造嗎？
首先，控制型機械外骨骼由于機械裝備并未與人體直接貼合，所以個體差異并不會影響它的使用。而增力型機械外骨骼則要視情況而定。
專家解釋說，用于康復(fù)治療的機械外骨骼是針對肌體功能缺失需要進(jìn)行外部輔助恢復(fù)的行動障礙人群，不同的肌體恢復(fù)需要有針對性設(shè)計，在使用機械外骨骼進(jìn)行訓(xùn)練時，醫(yī)生為需要針對不同病患設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，然后才能利用機械外骨骼幫助患者進(jìn)行一步一步的重復(fù)性訓(xùn)練，無法做到通用。而單純的增力型機械外骨骼則是把機器裝置綁在人身上，實現(xiàn)功能最大化，它針對的是行動功能正常的人，隨著技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)能夠做到通用化、批量使用。
大規(guī)模應(yīng)用需要再過幾道關(guān)
想要實現(xiàn)機器外骨骼的大規(guī)模應(yīng)用，還要克服研發(fā)過程中出現(xiàn)的困難。
劉啟帆介紹，難點之一是能源供給系統(tǒng)。機械外骨骼裝備要求持久、高效、安全的能源供給，尤其是室外應(yīng)用的機械外骨骼，通常難以獲得外部能源供應(yīng)。因此，能否實現(xiàn)可靠、超強續(xù)航能力的動力能源供應(yīng)，是機械外骨骼能否實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的核心問題之一。此前，美國伯克利大學(xué)研究的動力源，以背包的形式背在使用者身上，但是體積很大，重量也不輕，長時間負(fù)重不可避免地會加劇使用者的負(fù)擔(dān)。
以蓄電池作為動力源的機械外骨骼，工藝難度低、噪聲小，但續(xù)航時間短、輸出功率低；而采用液壓驅(qū)動的動力源，雖然可提供較大的功率和相對較長的續(xù)航時間，但噪聲、振動、發(fā)熱量都很大，并不能作為長期使用的理想動力源。
此外，傳感器的靈敏程度也有待加強。楊燦軍表示，要實現(xiàn)整個外骨骼系統(tǒng)的柔順控制，需要快速的信息傳感技術(shù)用來獲取所需的控制信息，并對多信息進(jìn)行高效快速融合，發(fā)出控制指令。
目前，可穿戴機械外骨骼主要通過采集肌電信號的方法來獲取使用者的運動意圖，肌電信號采集的方法有很嚴(yán)格的外界環(huán)境限制，一旦信號采集的地方發(fā)生微小的變化(如流汗等)就會干擾信號的采集。
再者，可穿戴機械外骨骼主要通過捆綁的方式與使用者連接在一起，而這種方式具有很大的缺陷，如人體捆綁部位會因帶子的束縛產(chǎn)生血液流通不暢等問題；捆綁處因肌肉的收縮、伸展產(chǎn)生的形變，很大程度上會影響機械外骨骼的定位精度。
來源：科技日報 、中國新聞網(wǎng)
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