Friday, Sep. 19, 2014

     

未來行動輔助裝置—超越人體極限的機器人外骨骼

人類以直立方式行走已數百萬年且足跡遠至外太空,在體能上卻還是受到限制。

未來思考帽和機器人外骨骼可以讓人類跑得比獵豹快、跳得比袋鼠高且遠。

文 / 張力山

根據2011年2月刊登在Science期刊上的最新研究結果,人類的祖先「阿法南方古猿」(Australopithecus afarensis),在距今約320萬年前就已經開始以雙腿直立的方式在地面上行走,正式結束了在樹林間攀爬的樹居生活。從近期在衣索比亞出土的阿法南猿第四蹠骨(metatarsal bone,為腳掌中段部分與腳趾骨連接的長骨)足骨化石,科學家發現它的形狀和結構與現代人類的足弓類似;這不但是人類進化史上的一個重大發現,也結束了長達數十年對於人類到底從何時開始直立行走的爭論。

負責這項研究的美國密蘇里大學教授沃德(Carol V. Ward)表示,阿法南猿的足弓應該具備足夠的強度,能夠提供雙腳在蹬離地面時所需的推進力,同時也具備足夠的柔軟度,以吸收震動和來自地面的衝擊力;他們的腳已從便於抓握的結構,轉變為一種與現代人相似的、利於行走和奔跑的結構。

無法跨越的障礙—跑得慢、跳不高

從人類祖先開始直立行走到現在已經過數百萬年,雖然科技的發展已經帶領人類足跡深入極地、海底甚至遠至外太空,但是與許多動物相比,人類的體能卻還是相當程度地受到生理及構造上的限制。舉例來說,世界上跑得最快的人是目前25歲的牙買加短跑選手「閃電」波特(Usain Bolt),他在2009年於柏林舉辦的世界田徑錦標賽中,以100公尺9.58秒及200公尺19.19秒的成績,雙雙打破世界紀錄;無獨有偶,在同一年美國辛辛那提動物園的母獵豹莎拉(Sarah),雖然當時已經8 歲(相當於中年的年紀),但仍以100公尺6.13秒的速度,打破2 0 0 1年由南非雄性獵豹恩雅娜(Nyana)所保持的6.19秒紀錄,成為跑得最快的陸地動物,且足足比「閃電」波特快了將近3秒半。

而垂直跳高的世界紀錄是由來自阿爾及利亞,身高178公分的賈尼(Kadour Ziani)所創下。曾經為法國跳高冠軍,目前是法國花式灌籃團體Slam Nation 中的一員,賈尼垂直彈跳的高度可以達到56英吋,相當於142公分。不過比起袋鼠、美洲獅及羚羊,賈尼的紀錄卻是小巫見大巫;袋鼠最高可跳到4公尺高、13公尺遠,而且速度可達每小時56公里。

克服生理限制—跑得更快、跳得更遠

人類為了跨越或克服本身生理及體能的限制,於是便想盡辦法利用外在的事物或動力來增強本身的體力及耐力,因此促成了輔助器具或裝置的發明。根據我國輔具分類國家標準「CNS 15390」的定義,輔具是指「特別生產或一般用於預防、補償、監測、減輕或緩和機能損傷、活動限制和參與侷限的任何產品,包括裝置、設備、儀器、技術和軟體」。不過輔具並不僅限於提供給障礙者所使用的義肢或是助聽器,廣義的輔具也包括一般人所使用的產品或設備,像是平板電腦、賽格威自動平衡電動移行機(Segway)以及任天堂Wii;在輔具分類上平板電腦是屬於溝通與資訊類輔具,而賽格威則是屬於個人行動類輔具。

「內政部多功能輔具資源整合推廣中心」陳列的多款矯具類輔具。

電影《鋼鐵人》的盔甲服以及《阿凡達》中反派傭兵所駕乘的巨型A M P 裝甲(Amplified Mobility Platform suit),則是屬於矯具類輔具;而他們又被稱為動力「外骨骼」(powered exoskeleton)系統或動力服(Power Suit),因為它是效法昆蟲及甲殼動物,如獨角仙和螃蟹的外骨骼。有別於如脊椎動物等的內骨骼動物,外骨骼動物發展出包覆在身體外圍的骨骼系統,用來支撐與保護身體組織及器官;加上外骨骼的部分結構附著於肌肉,由於富含幾丁質,因此也同時增強了這些動物的體能,像獨角仙就能抬起相當於它體重850倍的物體。在未來,人類可以藉由「外骨骼」或動力服等行動輔助裝置,讓警察、軍人、救難人員,甚至是一般人可以跑得比獵豹快,跳得比袋鼠更高、更遠,抬起比自己重10 幾倍的東西,且連續走上一整天也不會覺得累。

具有軍事用途的美國外骨骼系統

動力「外骨骼」系統或動力服是指穿在人身上,類似外骨骼的負重結構和動力系統,藉由提供附加的額外能量,來配合肢體的動作並協助動作的產生,以提升體能。

第一代外骨骼系統—硬頂人

全世界第一個外骨骼動力服是由奇異公司(GE)與美國軍方在1960年代所共同發明的,取名為「硬頂人」(Hardiman)。硬頂人本身重680公斤,包含28個關節及2個可用來抓取的手臂;因為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,而且最高可抬起680公斤的重物,所以軍方稱它為「人類表現增強系統」。後來因為硬頂人本身太過笨重,在執行動作時的穩定性太差,加上過於耗電,因此最終只停留在實驗階段而沒有繼續發展下去。

有了硬頂人的經驗,美國軍方之後便致力於其它動力行動輔助裝置的發展。2000年開始,美國國防部先進研究計畫總署(DARPA)也開始資助類似裝置的研究和發展,目的就是為了讓士兵可以背負幾百磅的軍用品而不感覺到重,連續行走多日而不感覺到累,而且抬得動通常必須好幾個人才能扛得起來的武器。

戰場上的幫手—浩克

全球軍火製造業龍頭——美國洛克希德.馬丁公司(Lockheed Martin),與加州大學柏克萊分校合作研發出的人類負重外骨骼系統「浩克」(HULC),是目前第三代的動力「外骨骼」系統。它不但可以降低行走時的耗氧量達15%,同時也可以提供像盔甲般的保護。浩克的誕生是為了幫助士兵在戰場上能夠長時間身負重達200磅(相當於91公斤)的重物卻不會有沈重感,且同時能夠保持時速10英里(相當於16公里)的行進速度。

浩克本身雖然重24公斤,卻很容易穿脫,通常只需花30秒就可以脫下;因為它本身用的是電池的電力,不需要外接電源線,所以可以穿著它奔跑、跳躍、匍匐爬行、甚至做蹲跪的動作而不受限制。浩克所附帶的鋰電池可以在正常行走速度下持續用上1小時,而目前正在進行測試的燃料電池將可以把電池的壽命延長至72小時。浩克預計在2014年量產,預定售價為2萬5000美元(約76萬台幣)。

鋼鐵人再進化— XOS 2

美國雷神公司所製造的第二代動力「外骨骼」系統XOS 2 ,被美國時代雜誌列為 2010 年的50 大發明之一。

浩克的主要競爭對手是由世界第六大軍火商——美國雷神公司(Raytheon Sarcos)所製造的第二代動力「外骨骼」系統XOS 2,它的原創者是猶他大學的雅各布森(Steve Jacobsen)博士。XOS是美國國防部先進研究計畫總署為了創造出未來的「超人士兵」,而提供了1000 萬美元的軍事研究預算,經過7年秘密研發出來的;它代表了機械外骨骼領域最尖端的技術,因此被美國時代雜誌列為2010年的50大發明之一。

相較於第一代的XOS,XOS 2更輕(雖然重量有68 公斤)、更快且更有力;不但如此,它的電力消耗只有不到XOS的一半。雖然沒有裝上像「鋼鐵人」腳上的火箭靴,但XOS 2是敏捷並且強而有力的;利用附在肌肉上的感測器,可以毫不延遲地反應並配合身體的動作,輸出強大的力量。當穿上XOS 2時,舉起200磅的重物就好像在舉20 磅的東西,並且連續舉個500次都沒問題;穿著它可以輕易打穿3英吋(約7.6公分)厚的木板,而且要小心揮舞XOS 2的金屬拳頭,一不小心可能就會穿透目標!

戰場上的幫手—浩克,它可幫助士兵長時間身負重達91公斤的重物,且同時能夠 保持時速16 公里的行進速度。

雖然速度快、力量大,但是目前XOS 2有一個重大缺陷,就是因為耗電量高,必須依靠外接電源線來提供所需的電力,所以能夠使用的場所就被限制住,而不能像浩克一樣可以穿著到處跑。雷神公司表示因為他們覺得鋰電池會有爆炸的危險,所以XOS 2的電力供應目前還是依靠外接電纜,不過相信在5~10年內這個問題應該就可以獲得解決。未來第三代XOS 3將會製成機械盔甲系統,由模組化鋁合金或複合材料製成,且遮蔽現有露出外面的液壓管路,因此可以阻絕沙塵與雨水。

讓生活更便利的日本外骨骼系統

日本在「外骨骼」動力輔助裝置的研發工作也投注了很多心力,而且在進展上並沒有比美國落後;只不過日本的研發較著重於生活及日常活動上的實際應用,而不是軍事用途。

醫療助手— HAL

日本Cyberdyne公司的創立者——筑波大學(University of Tsukuba)山海嘉之(Yoshiyuki Sankai)教授,花費二十多年所研發的外骨骼動力服H A L (H y b r i d Assistive Limb),目前已經進入第五代,當初它的設計主要是針對照顧病患的看護及醫院護理人員,增進他們的力量,以減輕照顧病人的負擔;另一方面,就是希望針對行動困難的人提供幫助。因此HAL 主要被用來輔助日常活動,如從椅子上站起、行走、上下樓梯以及抬重物等動作。在未來,希望HAL 可以支援工廠內較吃重的工作,或是在災難現場協助救援工作的進行。

第五代的HAL-5本身重23公斤,能增加使用者10倍的力量;利用充電電池產生動能,在充滿電的狀況下可連續使用2小時40分鐘。HAL外骨骼動力服的控制系統有2種,一種是利用肌電訊號作偵測的「意志控制系統」(Cybernic Voluntary Control System),另一種則是機器人「自動控制系統」(Robotic Autonomous Control System);HAL是目前世界上第一個同時採用混合控制系統(Hybrid Control System)的「外骨骼」動力輔助裝置。

走路輔助裝置—機器人腿

日本的汽車製造大廠本田(Honda)公司,在2008年推出了一款可以輔助行走及上下樓梯的「機器人腿」(Walking AssistDevice),它除了可以幫助支撐身體,還可以減少體能消耗及降低疲勞,可用於汽車裝配生產線上,幫助裝配技師維持長時間的半蹲姿勢,以減緩膝蓋的老化;而對於長時間久站的工作者而言,它也是減少雙腳遭受職業傷害的好幫手。機器人腿還可以在觀光及遊覽時使用,因為它的特點是能夠控制走路時跨步的頻率以及距離(走路的快慢和步伐大小)。

日本Cyberdyne 的外骨骼動力服HAL

日本Cyberdyne公司研發的外骨骼動力服HAL,能增加使用者10倍的力量, 在充滿電的狀況下可連續使用2 小時40 分鐘。

第二代的機器人腿體積小,易操作,整個輔助裝置重6.5公斤,使用充電式鋰電池可連續使用2小時;使用時只需將機器人腿上的鞋子穿上,再坐上如腳踏車的座墊即可使用。相較於第一代的陽春版,第二代的機器人腿能更有效及精準地協助分散雙腿肌肉與膝蓋在行進間的壓力,甚至還能透過機器人腿的幫忙,矯正不正確的站姿。雖然對虛弱老人而言,機器人腿仍顯得有些過重,但已投入12年研究心血的本田公司表示,希望在不久的將來能將它改良,使它更輕和更容易穿用。

除了Cyberdyne HAL和本田公司所研發的機器人腿,日本在動力行動輔助裝置的成就還包括動力輔助服(Power Assist Suit);其中包括東京農工大學(Tokyo University of Agriculture and Technology)遠山茂樹(Shigeki Toyama)教授所發明的農耕機器人服(agriculture robot suit),以及神奈川理工學院為照護人員所研製的動力輔助服。

農耕機器人服

遠山茂樹教授有感於目前日本有超過三分之二的農夫為超過65歲的老年人,為了提升他們的體能及協助他們完成較困難的農事(如拔蘿蔔)而有此發明。農耕機器人服本身重30公斤,在它的金屬與塑膠材質的外殼上有8個電動馬達,可增強穿戴者四肢的力量,減輕他們體力上的負擔達62%;也有能夠偵測動作的感測器,還可透過聲音辨識系統回應指令。農耕機器人服預計於今年(2012年)上市,預定售價為1萬1000美元(約33 萬5千元台幣)。

動力輔助服

神奈川理工學院所研製的動力輔助服可使穿戴者的力量增加0.5至1倍,它利用肌肉壓力感測器分析穿戴者的運動狀況,通過複雜的氣壓傳動裝置增加人的力量。

日本本田公司於2008年推出機器人腿, 可以輔助行走及上下樓梯。

事實上,這種裝置最初是為護士研製的,用來幫助他們照料體重較大或根本無法行走的病人,如讓他們輕鬆地自輪椅或床上抱起老人和病患。這套動力輔助服重30公斤,得花10分鐘穿上;目前只依訂購生產,主要顧客是養老院和醫院,但未來希望能普及到一般家庭。由於年輕人口不斷減少,日本將越來越仰賴類似的機器人輔助裝置從事醫院和養老院的基本照護工作。研究人員目前也著力於改善動力輔助服,希望在未來供年長者本身穿用,以提高他們的自主能力,而非仰賴照護者或子女。

外骨骼的能源

由於「外骨骼」系統或動力服,必須在室內及戶外跟隨穿戴者進行各種形式的活動或任務,因此有輕量化及長續航力的需求。目前所研發出的動力「外骨骼」系統,能源主要以電池為主,而且技術上算是相當成熟;但由於一般電池系統的充放電條件及能量密度受到限制,如果要長時間供應能源,電池的體積和重量必然會增加;因此目前採用電池為基礎的大部分系統,其重量、續航力與使用便利性仍有改善空間。

動力「外骨骼」系統所使用的其它能源方式還包括太陽能、石油以及人體動能。太陽能雖然是很環保的一種能源,只是目前價格較為昂貴,不過可以用來作為輔助電力的一種;石油是引擎裝置所使用的燃料,利用石油燃燒所產生的熱氣,來帶動引擎活塞活動,實際的例子有美國的「柏克萊下肢外骨骼」(BLEEX);人體動能,顧名思義就是把人體在運動時所產生的能量儲存起來,儲存的能源可以用來輔助下一次的活動。

外骨骼的驅動系統

外骨骼的運行需要驅動器來提供它本身移動時所需的機械動力;驅動器有一定的體積和重量,但是過大或過重的驅動器會妨礙到外骨骼的出力,所以必須要做些開發上的設計取捨,或開發出新的混合式能源系統。一般的液壓式驅動器,將幫浦所產生的壓力能轉換成機械能;雖然強而有力且震動小、動作滑順並精確性高,但他們的缺點是重量重、耗能較多而且有漏油之虞。

氣壓式驅動器則是利用壓縮空氣的壓力能,產生直線或旋轉運動的傳動裝置;它的好處是空氣便於輸送、速度快且本身易於維修,但缺點是動作產生時的準確性較差,加上具有壓縮性、噪音大且出力較小。除了液壓式及氣壓式驅動器,電子式驅動器也被用於外骨骼系統,而電子式驅動器則為電子式伺服馬達系統的一部分。

一般來說,電子式的伺服馬達系統效能較高且能量較密集,不但體積較小且耗能很小。伺服馬達系統由馬達本體、驅動器及編碼器等三部分所組成,最大的特徵是採閉回路控制。驅動器的作用是接受脈波輸入,進行運算、訊號轉換後,驅動控制馬達運轉;並由編碼器檢知馬達的位置、速度等資訊,回授給驅動器進行比較,以確保控制準確。由於伺服馬達可以透過編碼器回授的位置與速度資訊,隨時檢測馬達的運轉狀態,所以可以達成精確的位置和速度控制。伺服馬達著重於輸出機械量的大小、性能的精度和工作的穩定性;因此,它具有轉速控制精確穩定、加速和減速反應快、動作迅速、小型質輕、輸出功率大(即功率密度高)、效率高等特點。

心想事成的思考帽

科學家預測在不久的將來,人類就可以利用人機界面技術BMI(Brain-machine Interface)的神經輔助裝置(neuroprosthetic device),靠著穿戴者的自主意志來控制「外骨骼」系統。「再次行走計劃」(The Walk Again Project)的跨國科學家們目前正在開發可以從大腦接收指令的外骨骼「神經輔助」裝置;他們在猴子的頭骨植入晶片及電極,將電子訊號輸入猴子大腦皮層,還「教導」猴子用意志(腦波活動)來移動及控制電腦螢幕上的游標。研究人員繼而測試患有嚴重巴金森病的病人,發現他們同樣能控制游標移動。

「再次行走計劃」的首席科學家,美國杜克大學(Duke University)神經科學教授尼可萊利斯(Miguel Nicolelis)表示,未來希望使用者在經過數週練習後,能夠使腦部與外骨骼系統完全融合,讓外骨骼成為身體的一部分。但他承認,有關的電極設計還需要改良,使每個植入大腦的晶片上裝的電極由數百個增加至數千個。「我們需要新一代的高密度電極,可以安全植入人腦,長期並即時記錄數以萬計的神經元電子訊息。」

2009年本田公司公布其全球首例人機界面技術,該技術不僅結合了腦波儀(EEG)和近紅外線光譜儀(Near Infrared Spectroscopy, NIRS),還採用了新一代的訊息篩選技術,因此不需要按鈕操作,僅靠人腦思考即可操控機器人(思考帽)。人類在思考時,腦部會產生微弱的電流,同時血流也會發生相應的變化,而BMI的原理就是在準確地測定和解析這些變化。

腦波儀可偵測大腦活動時頭皮表面產生的電流變化值,而NIRS可偵測大腦活動時腦內血流的變化值;新開發的BMI 技術結合腦波儀和NIRS的功能,能夠對這兩大類訊息進行統計和篩選,成功實現了對大腦活動的高精密識別。早先在2006 年推出的BMI技術,所使用的功能型核磁共振圖像裝置(fMRI)由於其體積較大,而且還會產生很強的磁場,因此使用環境受到很大的限制。新開發的測定裝置則使用較小型的腦波儀和NIRS,因此充分的提高了使用BMI的便利性。

展望未來

未來的外骨骼行動輔助裝置在材質上,應該極為貼身、並具有高強度、伸縮性佳、輕量、耐磨損等特質;在操控系統上,希望能結合局部肌電控制以及「思考帽」控制系統,並加上自動機器人控制系統;在動力來源上,希望能使用輕質量的奈米電池,並結合太陽能、人體動能等;最後還要擁有自動學習功能。而在動作的執行及表現上,希望能夠配合正常關節活動的方向及範圍,增加平順及流暢度而更接近人體自然的動作。

 

作者:張力山(陽明大學ICF 暨輔助科技研究中心)

原文發表於科學月刊第四十三卷第二期

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