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外骨骼裝搶進日本iREX展 商品化進展快速

文‧ 黃繼寬 發布日期:2019/12/27 關鍵字:人工肌肉INNOPHYSSolarisJTEKT

兩年一度的日本國際機器人展(iREX)向來是機器人產業的盛事,但這次iREX展上除了各種機器手臂之外,展出外骨骼裝的新創業者也不少,且值得注意的是,許多開發外骨骼裝的業者都跟大專院校有一定程度的關聯性,顯示生醫與機械、電子產業結合,將是一大趨勢。另一方面,由於外骨骼裝並非醫療器材,而是產業用設備,因此這些產品開發完成後,很快就能量產上市,不像醫療輔具需要通過嚴格的醫材審核規範。

在本次iREX展中,由東京理科大學教授小林宏創立的INNOPHYS,就展出了由壓縮空氣驅動的Muscle Suit外骨骼裝(圖1)。目前這類可以讓穿戴者在搬運重物時節省力氣的外骨骼裝,多半是以McKibben氣動人工肌肉作為核心技術。這種人造肌肉在放鬆時是長條狀的管狀橡膠,但只要對其充氣,人造肌肉就會收縮並產生力量。若將這類人造肌肉搭配適當的人體工學設計,配置在正確的位置上,就能幫助穿戴者節省搬運重物時需要出的力氣。

圖1 INNOPHYS推出的Muscle Suit,採用手動打氣的方式為人工肌肉提供動力來源。

氣動人工肌肉並非近年才出現的發明,早在1950年代就已經被發明出來,並運用在義肢上,1980年代時,輪胎大廠普利司通(Bridgestone)將改良並商品化,而成為目前許多軟性機械跟外骨骼裝所使用的致動單元。但也因為這種人工肌肉是以壓縮空氣作為動力源,因此大多數採用這類人工肌肉的設備,都必須搭配空壓機使用。

INNOPHYS的設計之所以特別,在於其壓縮空氣並非由空壓機產生,而是靠內建的手動唧筒來壓縮空氣。使用者穿上Muscle Suit之後,需要按壓唧筒約40次,Muscle Suit才會產生效果。雖然不像內建空壓機的外骨骼裝那麼方便,但相對的重量也輕了許多,整套外骨骼裝的重量僅3.8公斤,且據業者宣稱,按壓唧筒40多次所產生的壓縮空氣量,在一般狀態下就足以使用一整天,而且使用者隨時都可以幫外骨骼裝打氣,延長設備的使用時間。此外,因為整套設備完全都是機械結構組成,因此防水防塵等級可達IP56,遇到下雨、下雪或有水花噴濺的作業場所也沒有問題。

沒有電池跟空壓機的設計,也讓Muscle Suit的價格得以壓低到14萬日圓(接近新台幣四萬元)以下,讓外骨骼裝變成一般家庭也能負擔得起的設備。INNOPHYS認為這點非常關鍵,因為在日本成為超高齡化社會之後,有許多行動不便的老人需要長期照護,但視每個老人家的狀況不同,有時看護是非常需要體力的工作。此外,在很多情況下,不是年輕力壯的人來照顧長者,而是也已經有點年紀的中壯年者在擔任看護工作。因此,產品價格必須要壓低到一般消費者也能負擔得起的水準。

不過,除了基於人工肌肉之外,也有基於馬達驅動的外骨骼裝。例如豐田集團旗下的JTEKT,就在iREX展上展示了內建電池的電動外骨骼套裝J-PAS Lumbus(圖2),不含電池的本體重量約4公斤,電池續航力則為4小時以上。

圖2 由豐田集團旗下JTEKT推出的J-PAS Lumbus電動外骨骼裝。

據筆者實際穿戴後搬運重物的感受,穿上J-PAS Lumbus之後,要搬起20公斤的物體幾乎是不費吹灰之力,因為在舉起重物的瞬間,外骨骼裝會產生一股向上的拉力,幫助使用者從蹲姿轉為站姿。但也因為J-PAS Lumbus是由電池跟馬達驅動,因此其輸出力量會比採用人工肌肉的外骨骼裝來得小,約為30牛頓,防水防塵等級也僅達到IP55,略遜於採用人工肌肉的類似產品。

除了已經商品化的外骨骼裝之外,在本次iREX展中,由日本中央大學理工學部教授中村太郎等人所創立的新創公司Solaris,亦展示了改良型的氣動人工肌肉裝置,為各種工程應用及高強度外骨骼裝的發展打下基礎。

相較於現有的McKibben型人工肌肉,該公司的人工肌肉外加了與軸方向水平的纖維來進行結構強化,使其人工肌肉能夠承受更大的力量,並且變得更耐用。據Solaris提出的測試數據,其軸方向纖維強化型人工肌肉(圖3)能承受的力量可達2,100牛頓(N),且使用壽命可達80萬次循環。這使得這類人工肌肉不僅可以用在外骨骼裝,還可以應用在管道檢查或地底探測用的蚯蚓型機器人、固體或高黏性流體的運輸,例如工程現場的砂石運輸管等場景。

圖3 由日本中央大學理工學部所研發的改良型人工肌肉,上為舒張狀態,下為收縮狀態。

Solaris也已經利用這款改良型的人工肌肉開發出可以提供更大輔助力量的外骨骼裝原型,主要是針對下肢運動提供輔助,不過,因為其輸出力量更大,因此不像INNOPHYS的外骨骼裝可以手動充氣,必須要用外接空壓機來提供壓縮空氣,預定的使用場景也將以工業或工程作業現場為主。至於在毋須外部動力源的外骨骼裝方面,Solaris目前已開發的產品是針對上肢運動所設計,主要鎖定的是農業應用。

雖然外骨骼裝有許多跟殘障輔具類似的地方,也跟人體有非常緊密的接觸,但因為其主要功能是幫使用者節省力氣,因此不被認定為醫療器材。這讓外骨骼裝製造商可以免去冗長的醫材認證程序,依據使用者的回饋,不斷推出更切合實際應用需求,且價格更低廉的新產品。另一方面,隨著日本社會高齡化程度越來越嚴重,日本政府正有計畫地推動老人回歸職場,未來日本中高齡勞動人口勢必只增不減。這類能幫助使用者省力的產品,未來將有相當可觀的市場需求。

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