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「超人矯具」不是夢

人的肉身有其限制,有些人因從事耗費體力的工作而容易受到職業傷害,如警察、士兵、醫護人員;有些因老化而行動不便;有些則因先天或意外成為肢障者;為了突破肉身的限制,因此有了「矯具」的發明。
 
 
 
人的肉身有其限制,有些人因從事耗費體力的工作而容易受到職業傷害,如警察、士兵、醫護人員;有些因老化而行動不便;有些則因先天或意外成為肢障者;為了突破肉身的限制,因此有了「矯具」的發明。「矯具」包括「傳統矯具」與「動力矯具」,是一種使用於體外的輔助裝置,用於矯正神經、肌肉與骨骼系統的構造與功能。

有別於傳統矯具,動力矯具除了能使一般人的體能升級外,也可協助肢障者獨立地起身、行走、上下樓梯、搬運物品等。儘管動力矯具尚未普遍,但卻是未來發展的趨勢。在未來,「超人矯具」將藉由肌電或腦波訊號來操控,不僅能協助肢障者重新站起來、讓老人健步如飛,也能增強一般人的體能與耐力,讓警察、士兵跑得更快、更遠,讓醫護人員能抱起比自己重的病患,讓人的肉身功能發揮到最大極致。

仿生設計 矯具創意

動力矯具是一種穿戴式的肌肉強化裝置,猶如人的「外骨骼」。「2011科學季:未來科技狂想曲」所展示的「超人矯具」就是這一概念的運用,這項展品由李淑貞主任與張力山博士負責規劃,他們目前任職於內政部多功能輔具資源整合推廣中心及國立陽明大學ICF(International Classification of Functioning, Disability and Health)暨輔助科技研究中心。張力山博士表示,當年國外的研發者是從大自然生物中找到靈感,他們好奇:為什麼螞蟻、螳螂、獨角仙等能扛起比自己重好幾倍的物體?為什麼螳螂可以擊退比自己龐大的敵人?這些力大無窮的生物其實都有「外骨骼」。外骨骼和內骨骼的關鍵差別在於外在的保障,前者為生物提供一個框架或結構,具有保護內部器官與組織的功能。

1960年代,全世界第1套師法生物外骨骼所製造的動力服(power suit)在美國誕生,命名為Hardiman。這套動力服可提供額外能量供四肢運動,穿上它的士兵舉起150公斤的物體有如舉起6公斤的物體般輕鬆。儘管Hardiman本身重達680公斤,並在試驗中徹底失控,卻啟發了後人的無限想像與遠景。之後,美國科幻電影中時有外骨骼的影子,如1986年上映的〈異形2〉,女主人翁蕾普莉就在片尾穿上機械外骨骼裝置和異形對決。

承重不累 健步如飛

2000年起,美國國防部高級研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)開始進行外骨骼方面的開發工作,研發的目的主要在於軍事用途,希望未來的士兵能如大力士,即使扛起重物也能健步如飛,跋涉千里也不會累,成為超級軍人。近年來,美國的動力矯具也慢慢擴及到復健之用。其中,做為改善肢障者下肢運動的動力矯具「eLEGS」,還被《時代雜誌》評選為2010年最好也最有意義的發明之一。

除了美國,日本的動力矯具研發的目的則主要在於日常用途,包含為了改善護理人員的工作狀態所研製的「動力輔助服」,以協助他們輕鬆地抱起病患;還有針對不同部位的動力矯具系統,包括手臂、腿部或全身等,如混合輔助義腿(HAL腿)。而本田汽車也開始使用一種矯具裝備,讓需長時間維持蹲姿的裝配師穿戴,目的在降低其職業傷害。此外,日本因為有三分之二的農民超過65歲,所以研發出協助農耕的動力輔助服。

而瑞士在動力矯具方面,則有針對下肢癱瘓者所研發的產品,用以協助患者進行下肢的行走訓練與復健,目前已有越來越多大型的醫院使用這項產品。以色列也研發出全自動的動力矯具系統,協助不良於行的人能活動自如,只要按一個鈕,系統就會幫助人們從起身到行走,同時有行走平路或階梯的控制鈕,幫助人們更有效地打理自己的日常生活與工作。

智慧系統 聰明帶動

張博士說,動力矯具的控制系統一般有兩種,「自動控制系統」和「肌電控制系統」。「自動控制系統」是以數學運算的方式,輸入人類正常動作或行走的模式,肢障者只要透過功能按鈕,動力矯具就能協助其起身、步行。肢障者無需花費力氣,即使下半身完全癱瘓,只要透過自動控制的動力矯具,就能輕鬆上路。

「肌電控制系統」則是把感應電極片貼在肢障者的皮膚上,只要肢障者還有一點點力氣,稍微動一下想動的部位,譬如手臂,動力矯具就會感應到主人想舉起手臂,然後協助肢障者完成舉臂動作。目前大部分的研發,都是以「肌電控制系統」為主。

未來的動力矯具可望以「思考帽」做為控制系統。「思考帽」是以感應器來感應腦電波信號,當肢障者戴上「思考帽」,只要腦中想著要做什麼,動力矯具就能接收到訊號,進而協助肢障者實踐腦中想要進行的肢體動作。

快速耗電 操控不便

現階段的動力矯具在研發上仍有很大的進步空間。有許多基本問題需要解決,例如第一,電力耗損太快,通常只能持續兩、三個小時;第二,矯具本身太重,常超過20公斤,除了使用者穿戴不便,也會導致電池消耗得快;第三,現階段動力矯具所使用的驅動系統包括「液壓」或「氣壓」都有缺點,液壓系統儘管會讓機器運作較為順暢,但它比較重;而氣壓系統雖然比較輕,其機器運作卻比較不順暢。因此現階段有研究者另朝向研發「電子訊號」做為驅動及控制系統。

動力矯具在應用上也有些困難需要克服。張博士表示,人體的運動是很複雜的,譬如人體的肩膀在「動」時,通常是3度空間的「動」,動作的中心軸也會隨著動作的產生而移動。但是,動力矯具的「動」目前無法做到這麼精細,其中心軸也不會動,因此不太可能完全配合人體的運動。這使得肢障者穿戴起動力矯具,難免會有不舒適的感覺,其動作也不太可能如一般人自如流暢。若是使用「自動控制系統」的動力矯具,其程式也不可能設計到能夠適用於所有現實情境。

再者,在高速行進中,動力矯具也有失控的風險。譬如士兵穿著動力服快跑,就無法像正常人一樣說停就停,機械制動可能需要一些緩衝時間,才能完全靜止。另外,目前的動力矯具材質大都以金屬為主,金屬除有保養上的問題之外,穿戴時也容易感到不舒服,不透氣。

超人矯具 未來可期

「2011科學季:未來科技狂想曲」所展示的「超人矯具」是以動態的影像動畫帶領民眾想像未來的行動世界。透過先進的動力矯具系統,一般身體健康者則能具有超人般的體力,獨立完成艱難又耗費體力的工作,並避免職業傷害。而老年人或肢障者,可以重新擁有基本行為能力,如行走、爬樓梯、搬取物品等。

張博士心中完美的「超人矯具」,在材質上,應該極為貼身、保暖、透氣,並具有高強度、高彈性、伸縮性佳、防彈、輕薄、耐寒、耐熱、耐磨損、防火等特質。在操控系統上,要結合局部肌電控制以及「思考帽」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、自動機械動力等;最後,還要擁有自動學習功能。由此可知,在邁向「超人矯具」的路上,還有許多根本上、跨領域的問題需要解決。儘管如此,人類運動自如的夢想,已見曙光,只待後繼者逐步突破。
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