動力服
動力外骨骼（英語：powered exoskeleton），也稱機械外骨骼、動力裝甲（powered armor）或動力服（powered suit）[1]，是一類可穿戴在人身上用來增強肢體結構強度、運動力量和耐力的機器。動力外骨骼設計旨在提供結構支撐，感知用戶的運動並向管理齒輪的電動機發送訊號。外骨骼支撐肩部，腰部和大腿，並協助移動以舉起和握住重物，同時降低背部壓力[2]。
根據其能源來源可分為有源外骨骼與無源外骨骼：
- 有源外骨骼帶有執行器，可代替使用者自身的肌肉輸出機械功（使用者其實只負責操控機器），但需要儲能裝備或外部供電保障其執行。這種外骨骼通常由電動機、氣動系統、槓桿、液壓系統或多種機電工程技術組合提供動力[3]；
- 無源外骨骼本質上是一種保護性的假肢裝具，是通過機械本身的材料和結構設計強度將負重繞過人體傳導至地面，或使用槓桿、滑輪、液壓緩衝等機械設計來獲取機械利益並減震，從而降低使用者做等長運動（比如搬運重物並將其維持在不變的高度）時的負擔以及降低遭受重複性勞損甚至工傷的風險[4]，但外骨骼本身並沒有主動做功的能力。
開發與應用
[編輯]外骨骼根據其民用、軍用的不同使用場景，其功能各具特色。在民用方面，日本的三井住友銀行就曾為搬運沉重鈔票及硬幣的年邁員工配備外骨骼，來降低員工的身體負擔[5]。在軍用方面，中華人民共和國則為衛生員開發了用於戰場一線區域救護傷員的無源外骨骼[4]。
第一套外骨骼動力服在1960年代由奇異公司與美國軍隊開發，當時命名為Hardiman，穿著這套裝備時舉起150公斤的物體就像舉起6公斤的物體一樣輕鬆。不過這套服裝是不實用的，因為它本身重達680公斤。
- 美國
- 中華人民共和國
- 中國兵器工業集團202研究所研製的單兵外骨骼系統於2015年7月在中國軍民融合技術裝備博覽會上首次亮相。該單兵外骨骼系統公開的技術指標為：額定負重35千克；額定搬運50千克。在額定負重下單兵平均步速4.5千米/小時，可連續行走約20千米。[6]
- 2020年10月，CCTV-7《軍事科技》節目中公開的被動型、無源的衛生員單兵外骨骼。它不能夠增加使用者的力量，但可以把負重傳到地面。[4]
- 中國航天科工集團二院206所研製的搬運外骨骼曾在嫦娥5號返回器搜尋回收任務中使用。它包含上肢助力模塊和下肢助力模塊，通過電動直驅助力模塊及智能步態分析演算法，配合人體上下肢關節發力，降低人體能耗。該搬運外骨骼負載能力達50公斤，在負重搬運機動時可省力約60%，節約人體能耗約30%，動作識別準確率大於99.9%，可在零下40攝氏度至70攝氏度間正常工作，耐受濕度最大為98%，標配的可更換電池在綜合工況下可持續工作約4小時。[7]
- 中華民國
- 2019年國防部軍備局編列新台幣4300萬元預算研發肌耐力增強型動力外骨骼系統，讓原本需要4人搬運的98公斤自走砲砲彈，單兵即可搬運[8]。
- 2021年10月26日，國防部在例行記者會上披露了軍用動力外骨骼裝備的研發進展，介紹了其發展方向分為「野戰型」與「荷重型」，共耗資新台幣1.69億元，前者已研發成功，後者正在研發中[9][10][11]。
- 2024年根據國防部近期送至立法院的預算解凍報告內容所示，軍備局研製的「動力外骨骼系統」今年起進入第二階段，也就是包含膝、髖、肩、肘等部位的「野戰全身型」，預計2027年研製完畢[12]。。
- 日本
- Cyberdyne公司的HAL 5混合助力肢體（Hybrid Assistive Limb 5）獲得日本設計振興會頒發的優良設計獎金獎[13]，可應用於醫療復健領域[14]，工場工人，或其他搬運場景[15]。
- 本田技研工業公司的外骨骼腿。
- 佐川電子（Sagawa Electronics Inc.）的「Powered Jacket MK3」[16]。
- 俄羅斯
俄羅斯第3中央研究所勇士-21外骨骼系統。
- 巴西
- 2014年世界盃開幕式上，截癱青年朱利亞諾·平托(Juliano Pinto)藉助外置機械骨骼開球[17]。這個外置機械骨骼是在杜克大學的巴西籍神經科學家米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis, 和Nicolelis Lab （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館））博士領導的150多名研究人員的幫助下創建的。 研究人員共同成果是作為幾所大學之間的合作的一部分，是非營利國際合作專案「再次行走計劃」（Project Walk Again）的一個研究成果。
健康和安全
[編輯]動力外骨骼雖然可以減輕體力勞動的壓力，但也可能帶來危險[1]。 美國疾病控制與預防中心（CDC）呼籲進行研究，以解決該技術的潛在危險和益處，並指出對工人的潛在新危險因素，例如因為行動不便導致對於跌落物體躲避不及導致的人身傷害，和由於重心偏移導致的潛在的跌倒[18]。
截至2018年，美國職業安全與健康管理局尚未為動力服制定任何安全標準。 國際標準化組織於2014年發布了安全標準，美國材料和試驗協會(ASTM International)正在研究將於2019年開始發布的標準[1]。
主要國際競賽
[編輯]科幻世界
[編輯]科幻作品中也有眾多作品將動力服概念作為各類重步兵的理論基礎拿來發揮，例如《星艦戰將》中機動步兵的動力服；《鋼鐵人》中的鋼鐵人動力服；《浩劫殺陣》系列、《異塵餘生》系列、《戰鎚40000》《warframe》或《星海爭霸》中的動力裝甲、《決勝時刻：先進戰爭》和《決勝時刻：黑色行動III》裡的外骨骼動力服、終極動員令3：泰伯倫戰爭的區域裝甲兵、終極動員令3：肯恩之怒的GDI分支、Z.O.C.O.M的區域突擊兵、《最後一戰》中斯巴達士兵穿著的裝甲。許多真實系日本漫畫和動漫更是將動力服的概念擴展成了各類人形機甲。
參考文獻
[編輯]- ^ 1.0 1.1 1.2 Ferguson, Alan. Exoskeletons and injury prevention. Safety+Health Magazine. September 23, 2018 [October 19, 2018]. （原始內容存檔於2021-04-10） （英語）.
- ^ Li, R.M.; Ng, P.L. Wearable Robotics, Industrial Robots and Construction Worker's Safety and Health. Advances in Human Factors in Robots and Unmanned Systems. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018, 595: 31–36. ISBN 9783319603834. doi:10.1007/978-3-319-60384-1_4.
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- ^ 4.0 4.1 4.2 中國軍視網. 好酷的单兵外骨骼，卫生员穿上力量倍增，背起伤员飞奔. 澎湃號. 2020-10-06 [2020-10-08]. （原始內容存檔於2020-10-07） （中文（中國大陸））.
- ^ 鈔票硬幣磚太重了！日本三井住友銀行為員工配備外骨骼裝輔助搬運. 癮科技. 2015-05-09 [2015-09-21]. （原始內容存檔於2019-10-30）.
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