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外骨骼
鎖定
外骨骼是一種能夠提供對生物柔軟內部器官進行構型,建築和保護的堅硬的外部結構。
- 中文名
- 外骨骼
- 外文名
- The exoskeleton
- 性 質
- 一種外部結構
- 作 用
- 保護和支持內部結構,防止體內水分大量蒸發的作用
- 主要成分
- 幾丁質
- 所屬學科
- 動物學
外骨骼主要組成
角質層除了能防止體內水分蒸發和保護內部構造外,還能與內壁所附着的肌肉共同完成各種運動,跟脊椎動物體內的骨骼有相似的作用,因此被叫做外骨骼。
這是不同於鳥類和其它動物(包括人類)的。凡具有皮毛的都屬於內骨骼。
外骨骼主要功能
中國國產新型單兵負重輔助(外骨骼)系統(2張)
然而,科學家們對這方面進行了更加廣闊的拓展。 外骨骼,被更多的聯繫到“ 超級裝”或用於擴充或增強一個人的生理機能的系統。他們幫助一個人舉起或攜帶較重的負荷,跑的更快,跳的更高。
在軍事上,外骨骼將幫助戰士更好地進行戰鬥,因為他可以得到更好的保護,攜帶更多的武器和裝備,並具有比正常人更強的體能。
外骨骼有關實驗
發展人體外骨骼的挑戰
儘管外骨骼的概念在美國科幻電影中出現已有數十年的歷史,但鑑於基礎技術的限制,它從來就不是一個實踐性的概念。
運動是另一個問題。人體可以走路,奔跑,及向前後任意彎曲。這些複雜的運動都已被證明是難以被機械所模擬的。
人體外骨骼試驗
雙方在外骨骼方面發展的努力被認為是成功的。報道稱由DARPA的資助的美國加州大學伯克利分校的項目,以及在在鹽湖城的sarcos研究公司已做好該領域演示的準備。日本則擁有HAL - 5 (第五代外骨骼系統,叫混合肢體輔助系統或HAL)。該系統是一個全身套裝,目的是對肌肉萎縮或腦或脊髓功能損傷的人們在無人力援助的情況下進行協助。
這些發展正在緩慢地解決着多年來那些讓外骨骼只能停留在畫板上的障礙。
遲早,外骨骼會真正進入實用領域的。
外骨骼軍事應用
從2000年開始,美軍開始從事“增強人體機能的外骨骼”(EHPA)項目的研究,計劃研製一種機器骨骼,提高人的軍事作戰方面的能力,計劃在2005年開始進行樣品試驗。未來士兵佩戴外骨骼機器人後,將成為一名超級士兵,擁有無窮的力量,可攜載更多的武器裝備,火力威力增強,防護水平提高,同時可克服任何障礙,高速前進,不會產生疲勞感。
外骨骼機器外骨骼
1. 賽百達因Hal-5 日本科技公司“賽百達因”(Cyberdyne)研製的HAL-5是一款半機器人,擁有自我拓展和改進功能。它裝有主動控制系統,肌肉通過運動神經元獲取來自大腦的神經信號,進而移動肌與骨骼系統。HAL(混合輔助肢體的英文縮寫)可以探測到皮膚表面非常微弱的信號。動力裝置根據接收的信號控制肌肉運動。 HAL-5是一款可以穿在身上的機器人,高1600毫米,重23公斤,利用充電電池(交流電100V)驅動,工作時間可達到近2小時40分鐘。HAL-5可以幫助佩戴者完成站立、步行、攀爬、抓握、舉重物等動作,日常生活中的一切活動幾乎都可以藉助HAL-5完成。HAL-5裝有混合控制系統,無論是室內還是户外均有不錯表現。 | |
2. 救援機器人T52 Enryu T52 Enryu是機器人家族的一個大塊頭,重量近5噸,身高達到3米。它非常強勁,可以幫助救援人員清理路面上的碎片。T52 Enryu可以在任何災害的救援工作中派上用場,例如地震。它靠液壓驅動,也被稱之為“超級救援機器人”,能夠舉起重量近1噸的重物,機械臂則可以完成所有類型的動作。T52 Enryu由日本 公司Tmsuk 於1994年3月設計,而後在長岡技術科學大學接受測試。測試中,它成功從雪堆上舉起一輛汽車。 | |
3. 松下充氣式外骨骼 松下充氣式外骨骼在設計上用於幫助癱瘓患者。它的肘部和腕部裝有傳感器,允許手臂控制8塊人造肌肉。人造肌肉內裝有壓縮空氣,用於擠壓癱瘓部位。 | |
4. 伯克利·布里克外骨骼 伯克利·布里克外骨骼由美國國防高級研究計劃局(DARPA)設計,致力於幫助士兵、營救人員、野火消防員以及其他所有應急人員的Bleex計劃為設計提供資金支持。設計伯克利·布里克外骨骼的目的就是幫助這些人員輕鬆攜帶各種裝備。 | |
5. 機甲外骨骼 機甲外骨骼是科幻小説中經常出現的機甲的一種複製品,高度達到18英尺(約合5.48米),由美國阿拉斯加州的工程師卡洛斯·歐文斯發明。機甲外骨骼實際上是一種步行機,由裏面的駕駛員操控。它的外形與人類似,正如科幻小説中所描述的那樣,它也擁有一身好拳腳和劍術。 | |
6. Stelarc外骨骼 Stelarc外骨骼是一款肌肉機器人,外形與蜘蛛人類似,長有6條腿,直徑達到5米。它是一種混合人機,充氣和放氣之後便可膨脹和收縮,與其他外骨骼相比具有更高的靈活性。使用時,操作人員需站在中間,控制機器朝着面部方向移動。Stelarc外骨骼由流體肌肉傳動裝置驅動,裝有大量傳感器。 | |
7. 腦控外骨骼系統 這種外骨骼能夠實現骨骼、肌肉與神經系統之間的交互作用。所有骨骼和肌肉都由大腦直接控制。腦控外骨骼系統由美國密歇根州大學的神經力學試驗室設計。 | |
8. Springwalker外骨骼 Springwalker外骨骼能夠像所有動物一樣奔跑跳躍。藉助於這種外骨骼,佩戴者的奔跑速度最快可達到每小時35英里(約合56公里),跳躍高度可達到5英尺(約合1.52米)。 | |
9. 被謀殺教授步行輔助設備 這款步行輔助設備用於幫助少肌症患者恢復身體機能。少肌症可導致患者骨骼肌流失。之所以起“被謀殺教授”這個名字是因為這款步行輔助設備由美國弗吉尼亞理工大學被人槍殺的凱文·格拉納塔教授研製。格拉納塔早已經離開人世,但他研製的步行輔助外骨骼卻仍在幫助着很多患者。 | |
10. 引力平衡腿部矯形器 引力平衡腿部矯形器在設計上用於幫助佩戴者在不受引力影響下走路。由於消除了引力影響,這也就意味着輕偏癱患者在這種矯形器幫助下可以很容易行走。藉助於這種設備,輕偏癱患者可以重獲力量和控制能力。這種矯形器由美國特拉華州大學研製,可以進行調節,能夠在腿部移動和引力之間實現一種平衡。 |
外骨骼相關發展
流程上看,外骨骼即從依賴硬件傳感器收集人體生物電信號,發展成為將硬件客觀數據與人體主觀信息相結合的新型信息輸入方式。
信息接收後,機器的計算能力與人體的思維能力進行信息處理,再通過機器的算法能力與人體的決策能力互相協調、優化判斷後進行智能輸出,將人體智能與機器智能相融合,從單向輸出轉為雙向互動,從而形成更高效的人機一體化智能科學系統。
值得注意的是,就在《流浪地球2》上映前不久,2023年1月18日,工業和信息化部等十七部門印發了關於“機器人+”應用行動實施方案的通知。其中也明確提到了對發展外骨骼機器人的支持。與電影中稍有不同的是,工信部此番實施方案將外骨骼機器人的發展放在養老服務方面。
上述方案提到,加快推動多模態量化評估、多信息融合情感識別、柔順自適應人機交互、人工智能輔助等新技術在養老服務領域中的應用,積極推動外骨骼機器人、養老護理機器人等在養老服務場景的應用驗證。
方案還鼓勵養老領域相關實驗基地把機器人應用作為實驗示範重要內容,研發推廣科技助老新技術新產品新模式。研究制定機器人助老助殘技術應用標準規範,推動機器人融入養老服務不同場景和關鍵領域,提升養老服務智慧化水平。
2021年12月,工業和信息化部等部門發佈《“十四五”機器人產業發展規劃》,要求增加高端產品供給,面向醫療健康、養老助殘等領域需求,重點推進服務機器人的研製及應用,推動產品高端化智能化發展。
2022年2月,國務院印發《“十四五”國家老齡事業發展和養老服務體系規劃》,強調加快人工智能、腦科學、虛擬現實、可穿戴等新技術在健康促進類康復輔助器具中的集成應用,發展外骨骼康復訓練等康復輔助器具。
- 參考資料
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- 1. 世界十大機器外骨骼:救援機器人T52上榜
- 2. 《流浪地球2》的這項“黑科技”獲工信部支持!那行星發動機呢? .華聲在線[引用日期2023-01-29]