从科幻走进现实： 碳纤维可穿戴外骨骼

日前，汽车供应商Mubea已签署合作协议，开始为智能动力套装开发商German Bionic生产机器人外骨骼。据悉，德国Bionic的Cray X外骨骼采用碳纤维复合材料框架，通过积极放大他们的运动来帮助工人提升重物，从而保护下背部免受过度劳损。

外骨骼机器人的发展与应用领域

外骨骼（exoskeleton）原指为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构。比如蟑螂、甲虫等硬壳昆虫或虾、蟹之类的甲壳类动物。人类、鸟类等具有皮毛的动物则都属于内骨骼结构。外骨骼机器人（exoskeleton robot）可理解为一种结合了人的智能和机器人机械能量的人机结合可穿戴装备，可将人体感觉、思维、运动等器官与机器的感知系统、智能处理中心、控制执行系统相结合，从而达到改善人体物理机能及提高身体素质等目的，其本质是一类可实现人机结合的可穿戴式机器人。

外骨骼机器人发源自军事领域。从2000年开始，美国军方率先开展对增强人体机能的外骨骼机器人研究，其目的是设计增强型军用装甲以提高士兵个人防护能力。美国政府出资数千万美元先后与加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、Oak Ridge美国国家实验室、美国Sarcos Robotic公司等研究单位进行合作，要求研究出具有自身能源供应装置、现代化通讯系统、传感系统、作战武器系统、吨级负荷能力、高速运动能力以及保护功能的外骨骼机器人。

在工业领域，外骨骼机器人为工人提供了更多的力量、敏捷性和耐力，可以让他们举起重物，减少人员的整体负担、提高工作效率。事实上，世界上一些大的工业公司已经意识到这些外骨骼解决方案的价值。例如，福特已将Ekso Bionics的第一代可穿戴外骨骼EksoVest添加到七个国家的15家装配厂。

在工业领域之外，外骨骼机器人被广泛运用在医疗康复领域，帮助老年人、残疾人重获行走的能力。CNN曾报道，在2020年举办的查尔斯顿马拉松比赛中，一位下半身瘫痪的中年男子亚当，借助Rewalk公司的可穿戴式动力外骨骼机器人，跑完全程26.2英里的马拉松。

国际研究机构ABI认为外骨骼将在近十年时间实现快速增长，2028年之前有望实现全球性规模化增长。2020年至2030年，外骨骼机器人产业预估CAGR 33%。其中，2025年至2028年为高速增长阶段，预估3年CAGR47.7%，2028年全球市场规模将达58亿美元。

国内关于可穿戴外骨骼机器人的研究则稍晚，中科院在2004年正式开展关于外骨骼机器人的研究工作。除此之外，海军航空学院、中科院合肥智能研究所、清华大学等科研单位也逐渐开展了外骨骼机器人的技术研究。

另据报道，中国航天科工二院科研团队已经成功研发并交付了首批敏捷型无动力外骨骼。由于使用了大量碳纤维材料，该型外骨骼不仅重量只有4公斤左右，而且不容易断裂，具有很好的抗冲击能力，在山地中使用时即使偶尔出现碰撞也不容易损坏。

追求轻量化的外骨骼机器人

影响机器人外骨骼的因素有很多，其中轻量化占据着很大的比重。在追求可穿戴外骨骼机器人轻量化的过程中，人们发现碳纤维可以完美取代传统的铝钛合金。通过采用碳纤维材料来制作外骨骼机器人部件可整体减重约20%，这能极大的方便患者使用外骨骼机器人，并且使用了碳纤维的外骨骼机器人结构更轻量化，也更能减少电力消耗提升续航。

实验表明碳纤维机器人外骨骼与传统金属材质相比有着很多优势，可以满足一些特殊环境对于材料的特殊要求。其耐腐蚀、耐高温、强度高、质量轻等特性可以让机器人外骨骼更好地发挥其性能，尤其耐腐蚀的特性可以让其工作时间得到提升，不必因为被腐蚀而不得不整体更换。

日本筑波大学Cybernics实验室曾推出一款名为HAL（Hybrid Assistive Leg）的穿戴型助力机器人，目前该外骨骼机器人已经发展到第五代产品。最新的配备碳纤维材质的HAL-5的质量约为21Kg，整体可以承受150～230Kg的重物，同时它配备了很多传感器，便于实时获取外骨骼机器人系统的运动信息。

Bionic的第5代防水Cray X

据了解，German Bionic第五代碳纤维外骨骼主动步行辅助与背部支撑双智能，通过主动步行辅助和其他开创性技术在手动处理环境中增加人类增强的新维度。

第5代Cray X承了其前身的碳纤维框架、物联网功能和智能工厂集成，但现在配备了更强大的电池，旨在为用户提供更长时间的电力。当电量不足时，40V电池也可以快速更换为新电池，以保持生产线运转。

除了保护佩戴者的下背部外，这款新型号还提供主动步行辅助——因此工人在拿起高达66磅（30公斤）的负载时得到支持，将它们带到他们需要去的地方，并在需要时放下它们他们到达那里。

第5代Cray X外骨骼全连接，兼容智能工厂，并包含基于AI的安全系统，可对不正确的举重操作或不良姿势发出警告。

设计中内置了新用户的辅助系统，在集成显示屏上显示提示和说明，让他们快速安全地启动和运行，而基于人工智能的人体工程学预警系统会提醒佩戴者姿势不良或举升方法不正确。

最后，IP54防水使得可以在干燥、潮湿或多尘的室外环境中使用，为“建筑工地、室外仓库或汽车修理厂”打开了平台。与其前身一样，重量轻的碳纤维结构Cray X可轻松连接到工业物联网平台和所有智能工厂生态系统，促进业务流程的真正集成。

Uchida的C-FREX下半身外骨骼

位于日本琦玉的Uchida Carbon Composite Technology是一家专业开发外骨骼的公司，其产品C-FREX可穿戴在不能独立行走的患者并为其提供支撑。

该公司开发出的C-FREX外骨骼，由重量轻的电动机和电池供电，可为患有脊髓损伤的人们提供移动性。C-FREX采用新颖的轻巧设计取代了金属框架元件和动力马达，它使用CFRP及其弹性特性帮助佩戴者更自然地行走而不会移动其腿部。

C-FREX没有使用重型电动机或电池组，取而代之的是，它利用了碳纤维增强塑料组件的强度、刚度和重量轻等特点，但它依然为佩戴者提供了力量。

C-FREX设计解决了当前设备的笨重问题，它在大腿处使用碳纤维材料，以便通过更自然的运动传递动力，而CFRP材料的弹性也使脚的传递更加容易。使用脚部CFRP板中的弹簧来激活弹性能，以得到先前聚碳酸酯所产生的向前推力。公司使用延伸机构开发了膝关节屈曲系统。C-FREX膝关节在与步行周期对齐时会弯曲和伸展，这使RGO和ARGO设备具有直腿步行机制的特征，并具有改善的、更自然的、更少的身体压力步态。

该公司通过Markforged的3D打印机，使用连续的碳纤维增强尼龙3D打印膝关节，并使用金属部件来完成关节机制。支撑大腿的部位也通过3D打印制造。这种加工方式从预浸料中脱颖而出，因为它们需要根据客户的长短进行定制，以适合每个用户。C-FREX原型使用了日本帝人公司的W-3101-A / Q-1120E 3K平纹碳纤维/环氧树脂预浸料。

Noonee的外骨骼座椅

Noonee是全球可穿戴式人体工厂学机电设备（WEMDs）供应商，其生产的Chairless Chair 2.0致力于提高人体工程学在制造业领域的实际应用效果，它们和机械外骨骼类似，却又更为实用：这种特殊的“椅子”可以像盔甲般穿戴在用户身上并在必要的时候发挥座椅的功能，在该设备的帮助下，用户可以轻松地在复杂工况中实现坐姿、站立姿势和行走姿势的切换，使用户能够以健康的姿势工作，主要应用场景为工厂生产线和装配线。
该公司新一代外骨骼座椅为Chairless Chair 2.0。这款外骨骼座椅的材质主要为碳纤维，相对于前一代产品，Chairless Chair 2.0产品重量减少了25%，产品重量仅为2.95kg。

在产品设计方面，黑色连续呈现的新设计，现代而纤薄；带有橡胶接头的更轻巧的鞋子连接器，可提供更高的安全性和运动灵活性；提供两种尺寸的背心，易于调节，并为腰带提供4点固定；在前一代实用大数据基础上，新一代产品在合身性、尺码、透气性和舒适性方面进行了优化，更加耐用和舒适。

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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