身背100斤却不见疲劳,超级身体强化装置,名副其实的黑科技
2018年9月,加拿大人乔纳森花费十三年时间,终于完成了这架4米高的巨型动力装甲,它不仅能快速移动,还可以冲破障碍、推动重物,所到之处,雷霆万钧!
这种强大的机械外骨骼又叫“可穿戴式机械”,是目前最具未来气息的装备之一。
它通过电动机、液压系统、杠杆等技术组合提供动力,帮助操作者支撑重物,降低腿部、手臂等受力肌肉的压力,如同有另一个人在和你协同行动一样,安全感十足。
要驱动这种动力装甲,科学家给出了两种方式:人力和电力,更专业的说法是——有源与无源。
有源外骨骼一般使用电力驱动机械臂,能够持续增强使用者的速度和力量。
无源外骨骼则以人在运动中消耗的无用能量作为驱动源,就像一种不必刻意花力气的手摇式发电机,在合理分配能量消耗的同时,将负担传递给大地,减轻使用者的负担。
虽然能源供给方式不尽相同,但它们都会根据军、民、医等各种应用场景,呈现出不同的辅助作用。
在军事上,外骨骼多用来提高士兵的各项能力,它们让穿戴者跑得更远、跳跃更持久,并能携带更重的武器装备,进行长途匍匐前进、陡峭路段行走等复杂动作。
在2015年博览会上,中国兵器工业集团202研究所就展示了一款单兵外骨骼系统,它可以辅助执行单兵巡逻、障碍跨越等各项任务,在额定负荷(35公斤)内,时速最高4.5公里,大大提高了士兵战斗力和战场生存率。
试想一下,一个全副武装的士兵,端着40多公斤的0.50重机枪向你冲来,那压迫感,比手榴弹扔到自家战壕还要恐怖。
民用方面,它主要用来协同搬运沉重的物品,或者为制造业需要长期劳作的岗位承担压力。每年,工人因肌肉疾病给公司造成的损失累计多达数十亿美元。
2017年,福特总装厂开始测试外骨骼背心,在手臂抬起时,它们能够给双臂提供最高12公斤力。虽然听起来不算太多,但是这些工人每小时就需要抬臂140次,肩部极容易受伤。而一款特制的外骨骼装备,能够有效减轻员工负担,降低工伤发生概率。
而在医疗领域,外骨骼技术被用来帮助因脊髓损伤导致截瘫的患者,为他们提供辅助行走功能。根据美国脊髓损伤统计中心数据显示,美国国内有近30万人因脊髓损伤瘫痪,这些患者除了要承担数百万美元的巨额医疗费以外,还需要忍耐周围路人对自己的区别对待。
2016年,因事故而下肢瘫痪的飞行员桑切斯,使用了美国套装X公司生产的“凤凰”外骨骼,成功实现自主站立和行走。桑切斯在体验后感慨道:“仅仅是站在别人面前,他们的反应和自己坐轮椅时就完全不一样。”
除了这三个主要应用领域以外,航运、伐木工、消防员等行业人员同样能受到外骨骼的关照。
2018年,新加坡民防部队开发了一款纯机械外骨骼,它以两个6.8升压缩空气罐作为动力源,足以让消防员在十二层楼梯上来回奔跑三次。此外,这款外骨骼还具备挣脱机制,方便消防员在紧急情况下快速脱险。
外骨骼听起来功能强大,但目前为止,它仍然没能得到广泛使用,原因就是它缺乏“可用性”,这种可用性有两个衡量标准:安全度和功能性。
外骨骼的功能性咱们已经有目共睹,增强负重能力、减少运动能量消耗,还可以一定程度上提高身体防御力。但在安全性上,外骨骼没多少人能够打包票,美国疾病控制与预防中心曾呼吁,要尽快展开外骨骼技术的潜在危险调查,并且指出了部分危险因素,比如面对高空坠物情况时反应能力降低,以及因为摔倒导致重心偏移、难起身等情况。
中国在2018年以前,没有任何一家外骨骼企业通过食品药品监督管理局认证,政府也未出台过外骨骼相关安全标准,外骨骼的安全管理方面,仍然有着很大空白。
听到这儿,想必有人可能会说,重新把外骨骼给设计一下不就得了?
然而,现实往往比想象中的更加复杂,想要突破壁垒,制造出令人满意的外骨骼,短时间内是没法实现了。
拿有源外骨骼来说,它最大的问题就是电池续航能力,大部分的外骨骼都需要依靠电池运行,平均续航时间3小时左右,小部分甚至需要持续接电才能使用。
2010年,雷神公司展示了自家开发的第二代“钢铁侠”外骨骼,它让穿戴者化身人形叉车,平时只能一次抬一箱农夫山泉的人,可以轻松完成17箱矿泉水搬运。可是,它必须要在持续供电状态下才能运行,行动范围非常有限,连开发人员自己都承认,接电线这种设计非常糟糕。
但他们也表示,暂时不会改变供能方式,只会尽量减少能量损耗、增加运行效率。
外骨骼的第二个问题就是成本,除了高研发费用,制造者还常常拿玻纤、碳纤维、碳纳米管等轻质高受力材料制作骨架,这些东西好用,但也贵,两两结合,就导致成本一直居高不下。
雷沃克公司曾为患者提供了一种医疗外骨骼,仅其技术费用一项就高达38万人民币,而像套装X公司、福特工厂使用的非医疗用外骨骼,价格也都超过了4万元。“凤凰”制造商卡泽罗尼讲到,外骨骼必须成为本田轿车,而不是法拉利,减少制造流程、降低成本,是所有厂商都应该着重考虑的事情。
“凤凰”外骨骼和它的穿戴者桑切斯
美国分析师卡拉曾分析过,可穿戴机械行业在2025年,市场价值能够超过20亿美元,但实际上,这些潜在的缺陷,可能会让外骨骼陷入无人购买的境地,在很长时间内,这个市场仍然会面临不小的困难。
外骨骼在概念和实践中存在了几十年,虽然外形和材料在不断变化,可本质功能却没有多少改变。有些人听到外骨骼可能会想到钢铁侠,光环玩家也可能会提到士官长,他们穿着的动力装甲,战斗力和颜值兼具,可以说是很多男人的梦想了。
但在能源问题解决之前,轻量、便携才是外骨骼发展真正的趋势。
“快递”搁浅
世界上最早普及的外骨骼可以追溯到寒武纪,比如像三叶虫这种小型带壳节肢动物,它们的外骨骼由碳酸钙和磷酸钙组成,能够在岩石下埋藏五亿多年不被腐蚀。到了新石器晚期,人们发现壳、骨头能够保护自己,于是,最初的人造外骨骼“盔甲”就这样诞生了。
时光流转,铜、铁替代了骨头和生物外壳,浩浩荡荡的工业革命拉开了机械化的大幕。
1890年,俄罗斯工程师雅金开发了一种最早的外骨骼装置,它通过压缩气囊提供能量,让使用者走得更快、跳得更高,这种装置需要先输入人力才能运行,有点儿类似蹬自行车,能省力,但也省不了太多。
1960年,美国通用电气和武装部队共同研发了“第一台真正与人类运动相结合的机械”,它的名字叫哈迪曼,虽然本体重量接近750公斤,但它却只能举起340公斤的物体,每秒移动速度也仅有0.76米,比成年人走路还慢,这种丢西瓜捡芝麻的效果是完全不可取的。
根据通用电气1969年的项目报告,在打开电源操纵哈迪曼的肩关节时,会发生手臂倾斜、肘部无法行动的状况。此外,操纵者穿着外骨骼期间,任何行为都有可能导致骨骼不受控制地剧烈运动,比如在开门时,一个“不经意的抖动”就会把门给拆了,低下的性能让这台机械的研发以失败告终。
大约同一时间,美国米海洛卜平研究所也开始研究这种机械,不过这些科学家首先研究的是腿部外骨骼,用来帮助截瘫患者进行康复训练,在开发过程中,他们还研发了有助于分析控制人类步态的理论,并为未来发展人形机器人打下了一定理论基础。
此后50年,外骨骼技术经过不断发展和自我改造,在军事、医疗、航空航天、建筑、仓储等领域大放异彩,欧洲航天局、日本本田等大头也加入其中,外骨骼的用途也在这个过程中被归纳为两类:“性能”和“康复”,前者用于工业、军事、消防等高运动需求领域,后者则作为矫形器的替代品,活跃在各大医院当中。
中国在2015年7月发布了第一款单兵外骨骼系统后,也正式加入了动力装甲研发大军。
2020年年底,中国航天科工集团206所研制的“有源搬运外骨骼”参与嫦娥五号返回器搜索回收任务,这款外骨骼能够负载50公斤重物,持续工作时间长达4小时,外骨骼在中国航天领域迈开了第一步。
同年的上海武宁路街头,蜂鸟即配也开始尝试使用外骨骼装备,让外卖小哥背上了更多的外卖包,饿了么官方微博也发布了消息,表示正在探索更先进的外卖配送方式。
目前的外骨骼设备,可以让骑手配送50公斤外卖,还不会产生任何疲劳感。
作为一个诞生时间不过一个世纪的科技,外骨骼技术还有着很大的研发空间,随着工程、生理、设计等各学科科学家不断努力,它将帮助世界建立一张人、机械与环境和谐交互的地图。
在未来,这些设备大范围投入使用后,它们不仅将改善年轻一代的生活,还能让老年人重获青春,那时,世界将真正迎来“赛博朋克”时代!
评论