智能消防外骨骼的材料研究

陳昱興 劉鳴 王博崇 張子琛 吳琦鳴 蔣金佐

摘要：在進行抗震救災、深井救援、山域救援以及滅火作業時，消防員需要攜帶個人防護類裝備、呼吸防護類裝備、破拆裝備等，而且仍有增加的趨勢。裝備本身的重量毫無疑問將給消防員的戰斗造成負擔，從而影響消防員的作戰效率與作戰能力。復雜的作戰環境給消防員的體能素質提出了更高的要求。本文首先分析外骨骼技術對消防救援的意義，接著對外骨骼的各項技術進行簡要分析，最后對材料選用問題進行重點分析。

關鍵詞：消防外骨骼;材料;負重

中圖分類號：TU998.1? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2021）06-0034-02

一、消防外骨骼介紹

在某些電影作品里，人們經常能看到“外骨骼”一類的可穿戴類智能機械設備，這一類設備不僅能夠提升人的肢體力量，更能增強負重能力與個人防護能力，使經過訓練的普通人成為受人敬仰的“超級英雄”。

隨著科技的進步，將外骨骼技術應用于消防救援領域已逐漸成為現實。

目前，外骨骼多選取鋰電池為動力源，通過執行器、傳感器和制動器將能量傳輸到每個關節，從而實現對整個骨骼的控制。

外骨骼可將設備自身重量以及負重直接轉移到地面，從而大幅度減輕消防員的負擔，輕松承重90kg以上。同時可外掛各種消防設備，如手臂處可直接連接高壓水槍。

二、外骨骼技術對消防救援的重大意義

（一）提升負重能力和肢體力量

作為在全球范圍內各類災害的高發地之一，地震帶來的情況復雜多變，道路、橋梁大面積損毀，廢墟環境中充滿隱患。在救援過程中，倒塌的樓板、滑落的石塊都給救援工作造成嚴重的困難，嚴重制約了救援效率。

在這種情況下，外骨骼強大的動力能夠輔助消防員進行長距離負重作業，使他們能夠更得心應手地進行障礙排除。

在城市救援中，火災往往會引起嚴重的建筑破壞，加之室內環境復雜，從而對消防員的救援效率以及保護自身安全的能力提出了很高的要求。強健的肉體力量是消防員的生命保障。

由于需要處理多種突發狀況，消防員所要攜帶防護裝備以及破拆裝備也各不相同。根據GA621-2013《消防員個人防護裝備配備標準》，消防員需要隨身攜帶的裝備包括安全繩、腰斧、滅火防護膠靴、消防頭盔、空氣呼吸器等，這些裝備重量之和超過30kg，有時甚至超過50kg。

在某些特殊情況下，如地震、山域救援等，消防救援車輛難以在第一時間進入。在這種情況下，消防員只能通過人體搬運沉重的救援儀器和救援物資進入災害現場。因此，提升單兵運輸能力就顯得尤為重要。

消防救援外骨骼融合了電子信息技術、新型材料技術、仿生技術、新能源技術與通訊技術，形成了一整套可供穿戴的機械設備。作為特殊活在環境下的選配裝備，在滿足對救災人員的基本防護基礎上，可增加消防員對飛濺物的防護，并提升消防員的負重能力。

（二）提升訓練效率

在基層戰訓中，外骨骼可以在保證訓練效果的前提下，最大程度地保護消防員的關節等脆弱部位，為消防救援隊伍的轉型升級、提質強能提供助力。

三、消防外骨骼研究現狀以及存在的缺陷

當前，世界上的主要外骨骼產品有：

1.美國伯克利仿生科技公司研發的配有先進計算機、可以準確檢測穿戴者運動意圖的軍用動力外骨骼HULC;

2.支持運動檢測、無需無線電控制的法國協同可穿戴式外谷歌機器人HERCULE;

3.旨在支持和擴展穿戴者身體能力的日本外骨骼機器人HAL-5;

4.協助消防員背負滅火裝備的中科院EXOP-1外骨骼機器人。

存在的共性問題主要有：

（一）能源供給困難

早期的外骨骼機器人離不開外部能源，通過內燃機和電纜的驅動一度是阻礙機器人發展的難題，這對于機器人的重量和可持續性的相關問題都有影響。新型智能外骨骼機器人仍然需要長時間進行能源供給，因此，開發出續航時間長、質量功率比值大的輸出能源就成了目前制約外骨骼機器人發展的瓶頸。

（二）擬人化程度不高，驅動技術不完善

控制技術使得機器人能夠精準全程實現高效率的掌控，以及多維度的自由控制，并且能夠跟上人的各種變化，如果沒有對人體各種運動趨勢的各種感知能力，而給人提供一個助力和行動支持，外骨骼機器人就反而成為了累贅。目前的外骨骼設備遠沒有達到質量輕便、穿戴舒適的需求。可以選用一些新型復合材料作為整個系統的基本框架，同時要兼顧減輕運動過程中的約束感和設備的便攜性和易穿脫性。

四、核心技術分析

（一）新型傳感器

由于體積以及重量方面的限制，需要依據實際情況對傳感器原件進行設計。可選用的傳感器有固態圖象傳感器（CCD）、非晶態合金傳感器、光纖傳感器、紅外氣體傳感器等。

（二）新型執行元件

作為將電能轉化為機械能或其他形式能量的元件，分為電動、氣動和液壓三類。

電動執行元件具有安裝簡便、使用方便的特點，因此在自動控制系統中得到了廣泛的應用和推廣。氣動執行元件結構簡單，重量輕，工作可靠并具有防爆特點，是在極端環境中應用的消防外骨骼的最佳選擇之一。液壓執行元件功率大，運行平穩，廣泛用于大功率的控制系統。

對于新型作動器開展的研究，不僅需要重視響應速度，更需要重視系統的阻抗特性等多方面的問題。

（三）高功率密度動力源

出于提升舒適度的需要，消防外骨骼未來的發展趨勢必然是向著高效、輕便的道路前進。隨著鋰電池以及燃料電池等新型電池的廣泛推廣和普及，以及高效的新能源的研究，相信在不久的將來，外骨骼的能源問題也將得到解決。

目前鋰電池仍然是智能消防外骨骼的理想選擇，它具有體積小、自放電量小、比能量高等優點。然而，過量充電會導致陰極析出金屬鋰，從而導致高溫下發生爆炸。同時，當充電電壓高于額定電壓時，鋰離子會在電極表面形成枝晶，出現枝晶短路導致熱量迅速流失，電解質在高溫狀態下出現放熱反應，致使熱量積累，產生爆炸事故。

同時，外界的高溫會導致電解液的濃度升高，導致SEI膜的融化和融穿透，這個時候電池就會出現短路問題，電池會因為熱反應而發生爆炸。

（四）人機交互

外骨骼的制作不能脫離實際，應當在了解基本的人體功能參數（人體尺寸數據、關節活動典型生理數據）、記錄消防救援的典型動作的基礎上。

要注意的是，在設計產品的時候，設計者應將產品的人文關懷以及使用者的滿意程度納入考量的范圍。要把消防員的人身安全放在首位，其次，要考慮到產品的舒適性。

（五）新型材料技術

如今的消防外骨骼更多地使用金屬材料作為整個系統的支撐結構，但因為質量過大，往往造成了有效載荷較低且等效慣量非常大的問題。因此，鼓勵科研人員將目光投向新型輕量化材料的探索與研究就顯得尤為重要。

五、用料分析

（一）鈦合金材料

鈦合金是以鈦和其他元素為基礎的。它具有強度高、耐腐蝕性好、耐熱性好等優點，廣泛分布于各個領域。外骨骼一定是要能耐高溫、耐腐蝕和耐摩擦等等。在極端環境中，如火災現場。火災時，消防外骨骼甚至在短時間內導致鈦燃燒，導致鈦火災。

TiAl合金具有熔點高、比強度高、高溫蠕變性能好、抗氧化性好等優點，已成為最有潛力的高溫材料之一。

TiAl合金具有較高的剛度，有利于那些要求低間隙的零件，并能延長零件的使用壽命;TiAl合金在700-800℃的比強度明顯高于鎳基合金，在設計中實現了結構輕量化，減輕了支撐件的載荷;

同時，TiAl合金具有良好的阻燃性能。基于上述優勢，TiAl合金是制作消防外骨骼的理想材料。

（二）新型高分子材料

通過將具有不同特性的材料復合在一起，可以得到高分子復合材料。同時，研究人員可根據需要調節配比，從而獲得所需要的各種各樣的性質。高分子復合材料具有良好的機械性能，擁有一定的抗高溫、耐腐蝕能力，質量輕，安全性高。

（三）高強度碳纖維材料

碳纖維的主要成分是碳元素，一種特殊的纖維。碳纖維的分子結構介于石墨和金剛石之間，碳體積分數通常在0.9以上。碳纖維具有導熱性好、曝光率低的優點。碳纖維復合材料用樹脂、金屬、陶瓷等基體復合材料，制備碳纖維復合材料，還具有高比強度、抗疲勞性、導熱性等，這些優異的綜合性能使碳纖維材料得到了廣泛的應用。

隨著對碳纖維材料的研究不斷深入，其綜合性能將會不斷提高。

（四）氣動人工肌肉

氣動人工肌肉是一種新型氣動元件，由外部壓縮空氣驅動，作推拉運動。重量輕，力量大，具有氣壓傳動技術所具有的低成本、清潔、便于安裝等優點，此外，還具備結構簡單、高柔性和良好的仿生特征等其他機械執行機構所無法比擬的特點，是應用最為廣泛的柔性驅動方式之一。。

氣動肌肉的核心是一個可拉伸的薄壁囊，其外部是一個有限的材料，其兩端帶有連接器，這個能使氣動肌肉在壓力下收縮。收縮力的大小取決于部件的幾何尺寸、制造材料和充氣壓力相關聯。氣動肌肉的拉伸強度隨收縮率的增加而降低，在最大收縮率的時候，起始輸出力為0。這意味著當達到推拉極限時，不會超過預定范圍。

作為一種流體驅動人工肌肉，可分為扁平結構、纖維增強結構、彈性氣閘結構和增強彈性結構。與傳統的氣動傳動相比，它的升程更小;充氣變形是一個很強的非線性環節，因此很難實現精確控制，同時靈活性也限制了精度和重復性。

六、結語

當前消防隊從單一的火災撲救拓展為“全災種，大應急”，對新技術的呼聲也達到了前所未有的高度。作為機械學、材料學、生物醫學等多學科交叉的新技術，與現代消防的工作需要契合度高。相信隨著外骨骼技術的不斷發展，消防救援人員能夠更順利的開展救援工作。

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