复合材料在外骨骼中的应用

日期:2021-08-27 10:51:28阅读:25    作者:天氏欧森

对我们许多人来说,外骨骼这个词是似乎专属于科幻小说,或者是让人联想到身穿盔甲的超级英雄,比如钢铁侠或者蝙蝠侠。尽管绝大多数人的认知都来自艺术家和作家丰富的想象力,但科学界,正在把这存在于科幻小说的事物变成事实。

发展起源

外骨骼是一种包裹身体的刚性结构,通常用来辅助关节运动。这种“外服”试图像人造肌肉一样,帮助穿着者的肌肉收缩和伸展。


最早的机器人外骨骼的开发可以追溯到1965年左右,当时通用电气公司开发了哈迪曼(Hardiman),这是一种大型全身外骨骼,该项目由美国军方投资,设计方案类似于今天的机械外骨骼。军方的目的是让穿戴者拥有超人一样的力量。哈迪曼拥有28个关节和两个抓取臂,由复杂的液压和电子系统驱动。实验中,穿戴者曾成功举起过1500磅的重物。不过遗憾的是,限于当时的技术条件,哈迪曼自己也臃肿不堪,自重达1500磅。如此重量的外骨骼自然难以操控,稳定性不佳,体重带来的另一个问题是能源不足。结果哈迪曼没能走出实验室。
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而同一时期,1969年,前南斯拉夫的米哈伊洛·普平研究所(Mihajlo Pupin Institute),也做了动力外骨骼研究工作,目的是为了帮助下肢瘫痪患者实现部分运动功能,他们在全世界第一个提出了步态运动系统(legged locomotion systems)的概念。
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当代研究


人类一直没有停止对外骨骼的研究。继续向前迈进,我们关注到来自英国普雷斯顿市中央兰开夏大学(UCLAN)机械工程高级讲师Matt Dickinson博士。Matt博士在大学新建的工程创新中心工作,主要研究概念设计,特别侧重于复合材料通过3D打印技术的应用。
外骨骼发展史 图片来源:Dr Matt

马特说:“老实说,如果你三年前告诉我,我们即将开发世界领先的外骨骼技术,我会质疑你的理智,但现在我们确实做到了。”

“这一切都要归功于2019年赢得地区初级工程师比赛的一名当地青少年。幸运的是,我当时负责评估每一个参赛项目,而有一个项目立即触动了我,他提到为什么没有给患有肌肉疾病的儿童穿的特殊套装或外骨骼来帮助小朋友进行活动。我的第一直觉是,市场上肯定已经有这样的设备,但我发现我错了!”

欠缺开发的原因纯粹是设计。例如,你如何制作一套能随主人“生长”的衣服,既轻便又实用,而且成本低,以至于所有人都能穿?

“作为一名机械工程师,我的第一个想法是用铝制作这套外穿装置,回过头来看,这完全是不可行的,而且制作成本非常昂贵。”

所需的材料必须是轻量的和容易获得的,但也必须是负担得起的。简而言之,如果没有人能够真正维护它,或者如果低收入家庭负担不起它,那么这项技术将是不可行的。

“外穿装置的结构被称为被动设计系统,这意味着它是整个装置的一部分,起着收缩点的作用,就像肌肉一样,但也是一个被动的外骨骼,分配力量和载荷。”

“基于这个想法,我们试图将这各种技术结合起来,以构建一种混合系统,该系统将支持人体架构,并有助于肌肉的收缩和伸展,这也帮助我们开发出了现在的这一套新的驱动方法。”

“我最初认为有可能支持这一设计的材料是聚乳酸(PLA)。在当时,还没有人测试这种材料是否能够支撑人体,但结果很快表明我们确实发现了一种非常特殊的东西。”
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设计的第一次迭代证明了复合材料的适用性,尽管还需要解决材料对紫外线的反应问题以及人体皮肤中乳酸对材料的潜在浸渍问题。

“皮肤有时会激活材料中的乳酸,这会导致细菌的形成,最终破坏其结构完整性。于是我们加入了一种嵌入铜纳米颗粒的材料,它在人体汗液和复合材料之间形成了一道屏障——如果你愿意,这会是一种完美的抗菌剂,”马特说。

该项目还在探索短切碳PET的使用。复合材料提供了额外的强度,它将被用来作为外穿装置的支撑结构的核心,包裹在聚乳酸和碳纤维中。

“基本上,和所有研发一样,事情都在不断发展。这些是我们目前正在开发的材料,但我们仍在不断寻求开发新的复合材料,看看是否比当前的更适合。”马特继续说道。




困局突破


“但这个情况下,我们的研发也碰到了困境,除非我们更好地了解这些材料的机械性能,也正好在这个时候,我们遇到了Tinius Olsen。”


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在英国一个大型工程展上的一次偶然相遇为工作伙伴关系奠定了基础,最初,Tinius Olsen出借了一个50kN的试验机、一个光学引伸计、传感器以及非常强大的Horizon测试软件。公司的技术人员也在现场,根据研发的需要提供建议和指导。

然而,这次合作,还不仅仅是关于机械和测试建议。通过Tinius Olsen,Matt被介绍给ASTM标准委员会,成为F48.04外骨骼开发标准委员会的小组主席。

“ASTM F48委员会主要关注的是正在使用的部件的失效疲劳,与任何将用于人类使用的研发项目一样。通过日常使用中的压缩、拉伸和弯曲运动,对所用部件和/或材料进行预期寿命的评估。我们现在使用的Tinius Olsen的测试系统能够使我们更高效的进行所需的测试,大大缩短研发时间。”
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“ASTM也对我们的研发项目带来了相当大的帮助,我们实际上已经从普雷斯顿的一个小实验室上升到了国际舞台上,见证了这一研发项目呈指数级地向前推进。如果没有Tinius Olsen,我们根本无法达到目前的水平。”
 
“我们的最终目标是开发一套能够提供辅助生活的外穿装置。它的设计并不是为了增加力量,而是为了让患有肌肉疾病的儿童更灵活、更独立,最重要的是,提高生活质量。”
 

该装置将于今年晚些时候进行人体试验。




其他应用


这一研发不仅在医学领域可以成功应用,在其他行业也有它的用武之地。例如,美国宇航局(NASA)等航天机构可以将这项技术应用到他们的宇航服设计中,以应对计划于20世纪30年代中期进行的火星任务。
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同时它也可以扩展到军事应用,不仅用于支持士兵和飞行员的身体结构,还能应用于负责重型飞机、坦克和飞机建造和维护的地勤人员和技术人员。

职业体育也可以从中受益。美式足球和橄榄球等体育运动中的身体防护装备是显而易见的应用,但在治疗运动损伤这一方面也能有所作为。

而在建筑业和其他制造业相关的重型起重作业中,这类外穿装置将会降低工人的工伤概率,也能因此减少因工人劳累和背部受伤而损失的工作时间

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