智能消防外骨骼的材料研究

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(jìn)行抗震救災(zāi)、深井救援、山域救援以及滅火作業(yè)時(shí)，消防員需要攜帶個(gè)人防護(hù)類(lèi)裝備、呼吸防護(hù)類(lèi)裝備、破拆裝備等，而且仍有增加的趨勢(shì)。裝備本身的重量毫無(wú)疑問(wèn)將給消防員的戰(zhàn)斗造成負(fù)擔(dān)，從而影響消防員的作戰(zhàn)效率與作戰(zhàn)能力。復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境給消防員的體能素質(zhì)提出了更高的要求。本文首先分析外骨骼技術(shù)對(duì)消防救援的意義，接著對(duì)外骨骼的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，最后對(duì)材料選用問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)分析。關(guān)鍵詞：消防外骨骼;材料;負(fù)重：TU998.1

：A

：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(jīng)常能看到“外骨骼”一類(lèi)的可穿戴類(lèi)智能機(jī)械設(shè)備，這一類(lèi)設(shè)備不僅能夠提升人的肢體力量，更能增強(qiáng)負(fù)重能力與個(gè)人防護(hù)能力，使經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的普通人成為受人敬仰的“超級(jí)英雄”。隨著科技的進(jìn)步，將外骨骼技術(shù)應(yīng)用于消防救援領(lǐng)域已逐漸成為現(xiàn)實(shí)。目前，外骨骼多選取鋰電池為動(dòng)力源，通過(guò)執(zhí)行器、傳感器和制動(dòng)器將能量傳輸?shù)矫總€(gè)關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)骨骼的控制。外骨骼可將設(shè)備自身重量以及負(fù)重直接轉(zhuǎn)移到地面，從而大幅度減輕消防員的負(fù)擔(dān)，輕松承重90kg以上。同時(shí)可外掛各種消防設(shè)備，如手臂處可直接連接高壓水槍。二、外骨骼技術(shù)對(duì)消防救援的重大意義（一）提升負(fù)重能力和肢體力量作為在全球范圍內(nèi)各類(lèi)災(zāi)害的高發(fā)地之一，地震帶來(lái)的情況復(fù)雜多變，道路、橋梁大面積損毀，廢墟環(huán)境中充滿(mǎn)隱患。在救援過(guò)程中，倒塌的樓板、滑落的石塊都給救援工作造成嚴(yán)重的困難，嚴(yán)重制約了救援效率。在這種情況下，外骨骼強(qiáng)大的動(dòng)力能夠輔助消防員進(jìn)行長(zhǎng)距離負(fù)重作業(yè)，使他們能夠更得心應(yīng)手地進(jìn)行障礙排除。在城市救援中，火災(zāi)往往會(huì)引起嚴(yán)重的建筑破壞，加之室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，從而對(duì)消防員的救援效率以及保護(hù)自身安全的能力提出了很高的要求。強(qiáng)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(fā)狀況，消防員所要攜帶防護(hù)裝備以及破拆裝備也各不相同。根據(jù)GA621-2013《消防員個(gè)人防護(hù)裝備配備標(biāo)準(zhǔn)》，消防員需要隨身攜帶的裝備包括安全繩、腰斧、滅火防護(hù)膠靴、消防頭盔、空氣呼吸器等，這些裝備重量之和超過(guò)30kg，有時(shí)甚至超過(guò)50kg。在某些特殊情況下，如地震、山域救援等，消防救援車(chē)輛難以在第一時(shí)間進(jìn)入。在這種情況下，消防員只能通過(guò)人體搬運(yùn)沉重的救援儀器和救援物資進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)。因此，提升單兵運(yùn)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(shù)、新型材料技術(shù)、仿生技術(shù)、新能源技術(shù)與通訊技術(shù)，形成了一整套可供穿戴的機(jī)械設(shè)備。作為特殊活在環(huán)境下的選配裝備，在滿(mǎn)足對(duì)救災(zāi)人員的基本防護(hù)基礎(chǔ)上，可增加消防員對(duì)飛濺物的防護(hù)，并提升消防員的負(fù)重能力。（二）提升訓(xùn)練效率在基層戰(zhàn)訓(xùn)中，外骨骼可以在保證訓(xùn)練效果的前提下，最大程度地保護(hù)消防員的關(guān)節(jié)等脆弱部位，為消防救援隊(duì)伍的轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)強(qiáng)能提供助力。三、消防外骨骼研究現(xiàn)狀以及存在的缺陷當(dāng)前，世界上的主要外骨骼產(chǎn)品有：1.美國(guó)伯克利仿生科技公司研發(fā)的配有先進(jìn)計(jì)算機(jī)、可以準(zhǔn)確檢測(cè)穿戴者運(yùn)動(dòng)意圖的軍用動(dòng)力外骨骼HULC;2.支持運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、無(wú)需無(wú)線電控制的法國(guó)協(xié)同可穿戴式外谷歌機(jī)器人HERCULE;3.旨在支持和擴(kuò)展穿戴者身體能力的日本外骨骼機(jī)器人HAL-5;4.協(xié)助消防員背負(fù)滅火裝備的中科院EXOP-1外骨骼機(jī)器人。存在的共性問(wèn)題主要有：（一）能源供給困難早期的外骨骼機(jī)器人離不開(kāi)外部能源，通過(guò)內(nèi)燃機(jī)和電纜的驅(qū)動(dòng)一度是阻礙機(jī)器人發(fā)展的難題，這對(duì)于機(jī)器人的重量和可持續(xù)性的相關(guān)問(wèn)題都有影響。新型智能外骨骼機(jī)器人仍然需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行能源供給，因此，開(kāi)發(fā)出續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、質(zhì)量功率比值大的輸出能源就成了目前制約外骨骼機(jī)器人發(fā)展的瓶頸。（二）擬人化程度不高，驅(qū)動(dòng)技術(shù)不完善控制技術(shù)使得機(jī)器人能夠精準(zhǔn)全程實(shí)現(xiàn)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(méi)有對(duì)人體各種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的各種感知能力，而給人提供一個(gè)助力和行動(dòng)支持，外骨骼機(jī)器人就反而成為了累贅。目前的外骨骼設(shè)備遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到質(zhì)量輕便、穿戴舒適的需求?？梢赃x用一些新型復(fù)合材料作為整個(gè)系統(tǒng)的基本框架，同時(shí)要兼顧減輕運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的約束感和設(shè)備的便攜性和易穿脫性。四、核心技術(shù)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(jù)實(shí)際情況對(duì)傳感器原件進(jìn)行設(shè)計(jì)。可選用的傳感器有固態(tài)圖象傳感器（CCD）、非晶態(tài)合金傳感器、光纖傳感器、紅外氣體傳感器等。（二）新型執(zhí)行元件作為將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或其他形式能量的元件，分為電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓三類(lèi)。電動(dòng)執(zhí)行元件具有安裝簡(jiǎn)便、使用方便的特點(diǎn)，因此在自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。氣動(dòng)執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，工作可靠并具有防爆特點(diǎn)，是在極端環(huán)境中應(yīng)用的消防外骨骼的最佳選擇之一。液壓執(zhí)行元件功率大，運(yùn)行平穩(wěn)，廣泛用于大功率的控制系統(tǒng)。對(duì)于新型作動(dòng)器開(kāi)展的研究，不僅需要重視響應(yīng)速度，更需要重視系統(tǒng)的阻抗特性等多方面的問(wèn)題。（三）高功率密度動(dòng)力源出于提升舒適度的需要，消防外骨骼未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)必然是向著高效、輕便的道路前進(jìn)。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(lái)，外骨骼的能源問(wèn)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(yōu)點(diǎn)。然而，過(guò)量充電會(huì)導(dǎo)致陰極析出金屬鋰，從而導(dǎo)致高溫下發(fā)生爆炸。同時(shí)，當(dāng)充電電壓高于額定電壓時(shí)，鋰離子會(huì)在電極表面形成枝晶，出現(xiàn)枝晶短路導(dǎo)致熱量迅速流失，電解質(zhì)在高溫狀態(tài)下出現(xiàn)放熱反應(yīng)，致使熱量積累，產(chǎn)生爆炸事故。同時(shí)，外界的高溫會(huì)導(dǎo)致電解液的濃度升高，導(dǎo)致SEI膜的融化和融穿透，這個(gè)時(shí)候電池就會(huì)出現(xiàn)短路問(wèn)題，電池會(huì)因?yàn)闊岱磻?yīng)而發(fā)生爆炸。（四）人機(jī)交互外骨骼的制作不能脫離實(shí)際，應(yīng)當(dāng)在了解基本的人體功能參數(shù)（人體尺寸數(shù)據(jù)、關(guān)節(jié)活動(dòng)典型生理數(shù)據(jù)）、記錄消防救援的典型動(dòng)作的基礎(chǔ)上。要注意的是，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候，設(shè)計(jì)者應(yīng)將產(chǎn)品的人文關(guān)懷以及使用者的滿(mǎn)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(chǎn)品的舒適性。（五）新型材料技術(shù)如今的消防外骨骼更多地使用金屬材料作為整個(gè)系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，但因?yàn)橘|(zhì)量過(guò)大，往往造成了有效載荷較低且等效慣量非常大的問(wèn)題。因此，鼓勵(lì)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(chǔ)的。它具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛分布于各個(gè)領(lǐng)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(huán)境中，如火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。火災(zāi)時(shí)，消防外骨骼甚至在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致鈦燃燒，導(dǎo)致鈦火災(zāi)。TiAl合金具有熔點(diǎn)高、比強(qiáng)度高、高溫蠕變性能好、抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn)，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(zhǎng)零件的使用壽命;TiAl合金在700-800℃的比強(qiáng)度明顯高于鎳基合金，在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化，減輕了支撐件的載荷;同時(shí)，TiAl合金具有良好的阻燃性能。基于上述優(yōu)勢(shì)，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(guò)將具有不同特性的材料復(fù)合在一起，可以得到高分子復(fù)合材料。同時(shí)，研究人員可根據(jù)需要調(diào)節(jié)配比，從而獲得所需要的各種各樣的性質(zhì)。高分子復(fù)合材料具有良好的機(jī)械性能，擁有一定的抗高溫、耐腐蝕能力，質(zhì)量輕，安全性高。（三）高強(qiáng)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(jié)構(gòu)介于石墨和金剛石之間，碳體積分?jǐn)?shù)通常在0.9以上。碳纖維具有導(dǎo)熱性好、曝光率低的優(yōu)點(diǎn)。碳纖維復(fù)合材料用樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合材料，制備碳纖維復(fù)合材料，還具有高比強(qiáng)度、抗疲勞性、導(dǎo)熱性等，這些優(yōu)異的綜合性能使碳纖維材料得到了廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)碳纖維材料的研究不斷深入，其綜合性能將會(huì)不斷提高。（四）氣動(dòng)人工肌肉氣動(dòng)人工肌肉是一種新型氣動(dòng)元件，由外部壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，作推拉運(yùn)動(dòng)。重量輕，力量大，具有氣壓傳動(dòng)技術(shù)所具有的低成本、清潔、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，此外，還具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高柔性和良好的仿生特征等其他機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)所無(wú)法比擬的特點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的柔性驅(qū)動(dòng)方式之一。。氣動(dòng)肌肉的核心是一個(gè)可拉伸的薄壁囊，其外部是一個(gè)有限的材料，其兩端帶有連接器，這個(gè)能使氣動(dòng)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(guān)聯(lián)。氣動(dòng)肌肉的拉伸強(qiáng)度隨收縮率的增加而降低，在最大收縮率的時(shí)候，起始輸出力為0。這意味著當(dāng)達(dá)到推拉極限時(shí)，不會(huì)超過(guò)預(yù)定范圍。作為一種流體驅(qū)動(dòng)人工肌肉，可分為扁平結(jié)構(gòu)、纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、彈性氣閘結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)彈性結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的氣動(dòng)傳動(dòng)相比，它的升程更小;充氣變形是一個(gè)很強(qiáng)的非線性環(huán)節(jié)，因此很難實(shí)現(xiàn)精確控制，同時(shí)靈活性也限制了精度和重復(fù)性。六、結(jié)語(yǔ)當(dāng)前消防隊(duì)從單一的火災(zāi)撲救拓展為“全災(zāi)種，大應(yīng)急”，對(duì)新技術(shù)的呼聲也達(dá)到了前所未有的高度。作為機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉的新技術(shù)，與現(xiàn)代消防的工作需要契合度高。相信隨著外骨骼技術(shù)的不斷發(fā)展，消防救援人員能夠更順利的開(kāi)展救援工作。參考文獻(xiàn)：[1]趙曉青.碳纖維復(fù)合材料回收再利用的現(xiàn)狀分析[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2020，46（10）：30-31.[2]新型聚苯胺/聚硅氧烷柔性納米復(fù)合薄膜的設(shè)計(jì)及其在氣體傳感器中的應(yīng)用[J].有機(jī)硅材料，2020，34（04）：34.[3]蔡建明，弭光寶，高帆，黃浩，曹京霞，黃旭，曹春曉.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用先進(jìn)高溫鈦合金材料技術(shù)研究與發(fā)展[J].材料工程，2016，44（08）：1-10.[4]陳程.氟磷共摻雜二氧化錫（FPTO）導(dǎo)電材料的制備及性能研究[D].北京化工大學(xué)，2015.[5]范海剛.工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)鈦金屬管材的焊接維修[J].新疆有色金屬，2014，37（S1）：163-164.[6]王波.視覺(jué)里程計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與步進(jìn)電機(jī)