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现实生活中的“钢铁侠”真的能行动自如吗?

1510    2020-09-08    发布者:中国测试杂志社    来源:NIST 翻译:新闻中心

在自然界中,外骨骼基本上是由甲壳素所组成,例如昆虫、节肢动物的骨骼等,而动力来源则是附着于外骨骼内部的肌肉。外骨骼可对生物本身形成支撑,同时又因生长于外部,可发挥保护生物以及防止水分散失的双重作用,因此传统的硬式外骨骼便成为工程界最早的模仿对象。

历史上,第一个动力外骨骼的设想,是俄国发明家尼古拉斯·杨在1890年提出的,并于1889年申请专利,该系统以压缩气体背包驱动腿部的外骨骼。而美国发明家莱斯利·凯利则于1919年提出以蒸汽驱动钢丝的软式动力装置。尽管他们的发明并未实用化,但其提出的以机械能来辅助肌肉动力的概念影响着后人。

如今,外骨骼技术已经开始小范围地运用在民用、商用及军用领域。

在民用领域,常见的就是为残疾人士提供一个看起来完美的假肢,帮助残疾人恢复行走能力,避免患者因长时间坐在轮椅上而生压疮,同时还可以改善心脏健康状况、锻炼肌肉强度、缓解抑郁症等。

商用领域里一般是制造业使用较多,一些需要长期站立、负重、重复动作的工人在配备这项科技产品后,可以有效增加工作效率,还能降低工伤风险。

最近,外卖员穿戴外骨骼送餐的视频也刷爆网络,背负近百斤重物却能轻松踱步,甚至可以流畅地上下楼梯。

而军用就比较科幻了,例如出现在《钢铁侠》、《异形2》、《黑客帝国3》、《阿凡达》、《极乐空间》等影片里的外骨骼装甲。如今的外骨骼技术可以提高士兵平时所测试的体能,以及射击的精准度,负重的能力,大大减少士兵的肌肉损伤,以及格斗中的外伤。

经过上百年的技术发展,外骨骼技术已经逐渐成熟,更加轻也更加强劲,与人体关节的匹配度也越来越高。如何优化外骨骼的贴合度,让穿着这些“钢铁盔甲”的使用者感觉舒适自如,是NIST的测试员们正在研究的课题。

一套不合身的西服或一件缩水的T恤可能是时尚灾难,但穿着它们也顶多只是让你有失颜面。然而,在战场上或工厂车间里,一副不合身的机械外骨骼可能是一个比时尚灾难更大的问题。

很多机械外骨骼都是由弹簧或马达驱动的,如果它们的关节与使用者的关节不匹配,可能会导致疼痛或受伤。为了帮助制造商和消费者减轻这些风险,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员开发了一种新的测量方法,来测试外骨骼和佩戴者的运动是否协调顺畅。

在一份新的报告中,研究人员描述了一套光学跟踪系统(OTS),类似于电影制作者使用的动作捕捉技术,使计算机生成的角色栩栩如生。它使用一台特殊照相机,可以发射光线并捕捉放置在被测物体上的球面标记所反射回来的光线,通过计算机便可计算出在三维空间中被标记物体的位置。这种方法被用来跟踪外骨骼和被称为“构件”的测试部件在用户身上的运动。

NIST的机器人技术工程师,同时也是这项研究的主要作者Roger Bostelman说:“我们的实验目标是让人绑上这些构件,穿上外骨骼动力服,对比它们的运动是否一样。如果它们的运动相匹配,就证明它们相互协调;如果它们的运动不一致,那就不合适,我们可以做出相应的调整。”

Bostelman说,在新的研究中,NIST的研究人员旨在捕捉膝关节的运动,因为膝关节是人体相对简单的关节之一。为了评估新测量方法的不确定性,他们构造了两个假肢作为测试台。其中一个的假膝是现成品,而另一个的3D打印假膝更接近真实的膝关节。测试人员用蹦极绳将金属板固定在假肢上代表外骨骼或者是绑在身体上的构件。

在假肢和金属板上固定标记后,研究小组使用OTS系统和一个数字量角器来测量膝关节在整个活动范围内的角度。通过比较两组测量数据,他们可以确定系统能够准确地跟踪腿的位置。测试还表明,OTS系统可以计算出假肢和外骨骼金属板各自的运动,从而让研究人员能够阐释两者在运动时的紧密程度。

为了将此方法应用到真人腿上,该团队设计并3D打印了可调节的构件,例如适合使用者大腿和胫骨的膝盖支架。Bostelman说,这种构件不同于人的皮肤(皮肤可根据其自身的弹性和肌肉的收缩发生变化),也不同于那些令人感到不舒服的紧身衣物,它的表面坚硬,可以稳定持续地在不同的人身上做标记。

实验团队在Bostelman身上安装了膝盖构件和一个全身的外骨骼,外骨骼上涂有反光标记。他开始做了几组深蹲测试,全程由OTS监测。

反光标记附着在用户膝盖上下的蓝色3D打印构件以及腿部外骨骼的两块金属板上。研究人员利用光学跟踪系统捕获并在数字空间中重建外骨骼标记(红色和粉色簇)和人体标记(橙色和蓝色簇)的运动,以了解外骨骼的适应情况。人与外骨骼标记之间的不协调运动可能表明不合身,可能导致疼痛或损伤。

测试表明,大多数时候,Bostelman的腿和外骨骼的运动是协调的。但在某些时刻,他的身体在移动,而外骨骼却没有。这些停顿可以用外骨骼的工作方式来解释。为了提供额外的力量,动力外骨骼使用了弹簧。当人运动时,弹簧会接合和分离。然而,当弹簧切换模式时,外骨骼会暂停,暂时抵消用户的运动。通过监测外骨骼功能的细微差别,这种新的测量方法证明了它对细节的重视。

仅凭原始数据并不能断言是否完全匹配。为了提高测试方法的准确性,Bostelman和他的团队还将使用计算算法来分析位置数据。Bostelman说:“接下来的步骤是为手臂、臀部和其他关节开发人造外骨骼,然后进行类似的测试。”



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