外骨骼是一種包裹身體的剛性結(jié)構(gòu)，通常用來(lái)輔助關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。這種“外服”試圖像人造肌肉一樣，幫助穿著者的肌肉收縮和伸展。

最早的機(jī)器人外骨骼的開(kāi)發(fā)可以追溯到1965年左右，當(dāng)時(shí)通用電氣公司開(kāi)發(fā)了哈迪曼（Hardiman），這是一種大型全身外骨骼，該項(xiàng)目由美國(guó)投資，設(shè)計(jì)方案類(lèi)似于今天的機(jī)械外骨骼。目的是讓穿戴者擁有超人一樣的力量。哈迪曼擁有28個(gè)關(guān)節(jié)和兩個(gè)抓取臂，由復(fù)雜的液壓和電子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，穿戴者曾成功舉起過(guò)1500磅的重物。不過(guò)遺憾的是，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，哈迪曼自己也臃腫不堪，自重達(dá)1500磅。如此重量的外骨骼自然難以操控，穩(wěn)定性不佳，體重帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是能源不足。結(jié)果哈迪曼沒(méi)能走出實(shí)驗(yàn)室。

而同一時(shí)期，1969年，前南斯拉夫的米哈伊洛·普平研究所（Mihajlo Pupin Institute），也做了動(dòng)力外骨骼研究工作，目的是為了幫助下肢癱瘓患者實(shí)現(xiàn)部分運(yùn)動(dòng)功能，他們提出了步態(tài)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（legged locomotion systems）的概念。

當(dāng)代研究
人類(lèi)一直沒(méi)有停止對(duì)外骨骼的研究。繼續(xù)向前邁進(jìn)，我們關(guān)注到來(lái)自英國(guó)普雷斯頓市中央蘭開(kāi)夏大學(xué)（UCLAN）機(jī)械工程高級(jí)講師Matt Dickinson博士。Matt博士在大學(xué)新建的工程創(chuàng)新中心工作，主要研究概念設(shè)計(jì)，特別側(cè)重于復(fù)合材料通過(guò)3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)的第一次迭代證明了復(fù)合材料的適用性，盡管還需要解決材料對(duì)紫外線的反應(yīng)問(wèn)題以及人體皮膚中乳酸對(duì)材料的潛在浸漬問(wèn)題。

“皮膚有時(shí)會(huì)激活材料中的乳酸，這會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的形成，最終破壞其結(jié)構(gòu)完整性。于是我們加入了一種嵌入銅納米顆粒的材料，它在人體汗液和復(fù)合材料之間形成了一道屏障——如果你愿意，這會(huì)是一種抗菌劑，”馬特說(shuō)。

該項(xiàng)目還在探索短切碳PET的使用。復(fù)合材料提供了額外的強(qiáng)度，它將被用來(lái)作為外穿裝置的支撐結(jié)構(gòu)的核心，包裹在聚乳酸和碳纖維中。

“基本上，和所有研發(fā)一樣，事情都在不斷發(fā)展。這些是我們目前正在開(kāi)發(fā)的材料，但我們?nèi)栽诓粩鄬で箝_(kāi)發(fā)新的復(fù)合材料，看看是否比當(dāng)前的更適合。”馬特繼續(xù)說(shuō)道。

困局突破

“但這個(gè)情況下，我們的研發(fā)也碰到了困境，除非我們更好地了解這些材料的機(jī)械性能，也正好在這個(gè)時(shí)候，我們遇到了Tinius Olsen。”在英國(guó)一個(gè)大型工程展上的一次偶然相遇為工作伙伴關(guān)系奠定了基礎(chǔ)，最初，Tinius Olsen出借了一個(gè)50kN的試驗(yàn)機(jī)、一個(gè)光學(xué)引伸計(jì)、傳感器以及非常強(qiáng)大的Horizon測(cè)試軟件。公司的技術(shù)人員也在現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)研發(fā)的需要提供建議和指導(dǎo)。

然而，這次合作，還不僅僅是關(guān)于機(jī)械和測(cè)試建議。通過(guò)Tinius Olsen，Matt被介紹給ASTM標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，成為F48.04外骨骼開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的小組主席。

“ASTM F48委員會(huì)主要關(guān)注的是正在使用的部件的失效疲勞，與任何將用于人類(lèi)使用的研發(fā)項(xiàng)目一樣。通過(guò)日常使用中的壓縮、拉伸和彎曲運(yùn)動(dòng)，對(duì)所用部件和/或材料進(jìn)行預(yù)期壽命的評(píng)估。我們現(xiàn)在使用的Tinius Olsen的測(cè)試系統(tǒng)能夠使我們更高效的進(jìn)行所需的測(cè)試，大大縮短研發(fā)時(shí)間。”

“我們的最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一套能夠提供輔助生活的外穿裝置。它的設(shè)計(jì)并不是為了增加力量，而是為了讓患有肌肉疾病的兒童更靈活、更獨(dú)立，最重要的是，提高生活質(zhì)量。”

其他應(yīng)用

這一研發(fā)不僅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以成功應(yīng)用，在其他行業(yè)也有它的用武之地。例如，美國(guó)宇航局（NASA）等航天機(jī)構(gòu)可以將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到他們的宇航服設(shè)計(jì)中，以應(yīng)對(duì)計(jì)劃于20世紀(jì)30年代中期進(jìn)行的火星任務(wù)。同時(shí)它也可以擴(kuò)展到軍事應(yīng)用，不僅用于支持士兵和飛行員的身體結(jié)構(gòu)，還能應(yīng)用于負(fù)責(zé)重型飛機(jī)、坦克和飛機(jī)建造和維護(hù)的地勤人員和技術(shù)人員。

職業(yè)體育也可以從中受益。美式足球和橄欖球等體育運(yùn)動(dòng)中的身體防護(hù)裝備是顯而易見(jiàn)的應(yīng)用，但在治療運(yùn)動(dòng)損傷這一方面也能有所作為。

而在建筑業(yè)和其他制造業(yè)相關(guān)的重型起重作業(yè)中，這類(lèi)外穿裝置將會(huì)降低工人的工傷概率，也能因此減少因工人勞累和背部受傷而損失的工作時(shí)間。