智能消防外骨骼的材料研究

智能消防外骨骼的材料研究

陈昱兴刘鸣王博崇张子琛吴琦鸣蒋金佐摘要：在进行抗震救灾、深井救援、山域救援以及灭火作业时，消防员需要携带个人防护类装备、呼吸防护类装备、破拆装备等，而且仍有增加的趋势。装备本身的重量毫无疑问将给消防员的战斗造成负担，从而影响消防员的作战效率与作战能力。复杂的作战环境给消防员的体能素质提出了更高的要求。本文首先分析外骨骼技术对消防救援的意义，接着对外骨骼的各项技术进行简要分析，最后对材料选用问题进行重点分析。关键词：消防外骨骼;材料;负重：TU998.1

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：2096-1227（2021）06-0034-02一、消防外骨骼介绍在某些电影作品里，人们经常能看到“外骨骼”一类的可穿戴类智能机械设备，这一类设备不仅能够提升人的肢体力量，更能增强负重能力与个人防护能力，使经过训练的普通人成为受人敬仰的“超级英雄”。随着科技的进步，将外骨骼技术应用于消防救援领域已逐渐成为现实。目前，外骨骼多选取锂电池为动力源，通过执行器、传感器和制动器将能量传输到每个关节，从而实现对整个骨骼的控制。外骨骼可将设备自身重量以及负重直接转移到地面，从而大幅度减轻消防員的负担，轻松承重90kg以上。同时可外挂各种消防设备，如手臂处可直接连接高压水枪。二、外骨骼技术对消防救援的重大意义（一）提升负重能力和肢体力量作为在全球范围内各类灾害的高发地之一，地震带来的情况复杂多变，道路、桥梁大面积损毁，废墟环境中充满隐患。在救援过程中，倒塌的楼板、滑落的石块都给救援工作造成严重的困难，严重制约了救援效率。在这种情况下，外骨骼强大的动力能够辅助消防员进行长距离负重作业，使他们能够更得心应手地进行障碍排除。在城市救援中，火灾往往会引起严重的建筑破坏，加之室内环境复杂，从而对消防员的救援效率以及保护自身安全的能力提出了很高的要求。强健的肉体力量是消防员的生命保障。由于需要处理多种突发状况，消防员所要携带防护装备以及破拆装备也各不相同。根据GA621-2013《消防员个人防护装备配备标准》，消防员需要随身携带的装备包括安全绳、腰斧、灭火防护胶靴、消防头盔、空气呼吸器等，这些装备重量之和超过30kg，有时甚至超过50kg。在某些特殊情况下，如地震、山域救援等，消防救援车辆难以在第一时间进入。在这种情况下，消防员只能通过人体搬运沉重的救援仪器和救援物资进入灾害现场。因此，提升单兵运输能力就显得尤为重要。消防救援外骨骼融合了电子信息技术、新型材料技术、仿生技术、新能源技术与通讯技术，形成了一整套可供穿戴的机械设备。作为特殊活在环境下的选配装备，在满足对救灾人员的基本防护基础上，可增加消防员对飞溅物的防护，并提升消防员的负重能力。（二）提升训练效率在基层战训中，外骨骼可以在保证训练效果的前提下，最大程度地保护消防员的关节等脆弱部位，为消防救援队伍的转型升级、提质强能提供助力。三、消防外骨骼研究现状以及存在的缺陷当前，世界上的主要外骨骼产品有：1.美国伯克利仿生科技公司研发的配有先进计算机、可以准确检测穿戴者运动意图的军用动力外骨骼HULC;2.支持运动检测、无需无线电控制的法国协同可穿戴式外谷歌机器人HERCULE;3.旨在支持和扩展穿戴者身体能力的日本外骨骼机器人HAL-5;4.协助消防员背负灭火装备的中科院EXOP-1外骨骼机器人。存在的共性问题主要有：（一）能源供给困难早期的外骨骼机器人离不开外部能源，通过内燃机和电缆的驱动一度是阻碍机器人发展的难题，这对于机器人的重量和可持续性的相关问题都有影响。新型智能外骨骼机器人仍然需要长时间进行能源供给，因此，开发出续航时间长、质量功率比值大的输出能源就成了目前制约外骨骼机器人发展的瓶颈。（二）拟人化程度不高，驱动技术不完善控制技术使得机器人能够精准全程实现高效率的掌控，以及多维度的自由控制，并且能够跟上人的各种变化，如果没有对人体各种运动趋势的各种感知能力，而给人提供一个助力和行动支持，外骨骼机器人就反而成为了累赘。目前的外骨骼设备远没有达到质量轻便、穿戴舒适的需求。可以选用一些新型复合材料作为整个系统的基本框架，同时要兼顾减轻运动过程中的约束感和设备的便携性和易穿脱性。四、核心技术分析（一）新型传感器由于体积以及重量方面的限制，需要依据实际情况对传感器原件进行设计。可选用的传感器有固态图象传感器（CCD）、非晶态合金传感器、光纤传感器、红外气体传感器等。（二）新型执行元件作为将电能转化为机械能或其他形式能量的元件，分为电动、气动和液压三类。电动执行元件具有安装简便、使用方便的特点，因此在自动控制系统中得到了广泛的应用和推广。气动执行元件结构简单，重量轻，工作可靠并具有防爆特点，是在极端环境中应用的消防外骨骼的最佳选择之一。液压执行元件功率大，运行平稳，广泛用于大功率的控制系统。对于新型作动器开展的研究，不仅需要重视响应速度，更需要重视系统的阻抗特性等多方面的问题。（三）高功率密度动力源出于提升舒适度的需要，消防外骨骼未来的发展趋势必然是向着高效、轻便的道路前进。随着锂电池以及燃料电池等新型电池的广泛推广和普及，以及高效的新能源的研究，相信在不久的将来，外骨骼的能源问题也将得到解决。目前锂电池仍然是智能消防外骨骼的理想选择，它具有体积小、自放电量小、比能量高等优点。然而，过量充电会导致阴极析出金属锂，从而导致高温下发生爆炸。同时，当充电电压高于额定电压时，锂离子会在电极表面形成枝晶，出现枝晶短路导致热量迅速流失，电解质在高温状态下出现放热反应，致使热量积累，产生爆炸事故。同时，外界的高温会导致电解液的浓度升高，导致SEI膜的融化和融穿透，这个时候电池就会出现短路问题，电池会因为热反应而发生爆炸。（四）人机交互外骨骼的制作不能脱离实际，应当在了解基本的人体功能参数（人体尺寸数据、关节活动典型生理数据）、记录消防救援的典型动作的基础上。要注意的是，在设计产品的时候，设计者应将产品的人文关怀以及使用者的满意程度纳入考量的范围。要把消防员的人身安全放在首位，其次，要考虑到产品的舒适性。（五）新型材料技术如今的消防外骨骼更多地使用金属材料作为整个系统的支撑结构，但因为质量过大，往往造成了有效载荷较低且等效惯量非常大的问题。因此，鼓励科研人员将目光投向新型轻量化材料的探索与研究就显得尤为重要。五、用料分析（一）钛合金材料钛合金是以钛和其他元素為基础的。它具有强度高、耐腐蚀性好、耐热性好等优点，广泛分布于各个领域。外骨骼一定是要能耐高温、耐腐蚀和耐摩擦等等。在极端环境中，如火灾现场。火灾时，消防外骨骼甚至在短时间内导致钛燃烧，导致钛火灾。TiAl合金具有熔点高、比强度高、高温蠕变性能好、抗氧化性好等优点，已成为最有潜力的高温材料之一。TiAl合金具有较高的刚度，有利于那些要求低间隙的零件，并能延长零件的使用寿命;TiAl合金在700-800℃的比强度明显高于镍基合金，在设计中实现了结构轻量化，减轻了支撑件的载荷;同时，TiAl合金具有良好的阻燃性能。基于上述优势，TiAl合金是制作消防外骨骼的理想材料。（二）新型高分子材料通过将具有不同特性的材料复合在一起，可以得到高分子复合材料。同时，研究人员可根据需要调节配比，从而获得所需要的各种各样的性质。高分子复合材料具有良好的机械性能，拥有一定的抗高温、耐腐蚀能力，质量轻，安全性高。（三）高强度碳纤维材料碳纤维的主要成分是碳元素，一种特殊的纤维。碳纤维的分子结构介于石墨和金刚石之间，碳体积分数通常在0.9以上。碳纤维具有导热性好、曝光率低的优点。碳纤维复合材料用树脂、金属、陶瓷等基体复合材料，制备碳纤维复合材料，还具有高比强度、抗疲劳性、导热性等，这些优异的综合性能使碳纤维材料得到了广泛的应用。随着对碳纤维材料的研究不断深入，其综合性能将会不断提高。（四）气动人工肌肉气动人工肌肉是一种新型气动元件，由外部压缩空气驱动，作推拉运动。重量轻，力量大，具有气压传动技术所具有的低成本、清洁、便于安装等优点，此外，还具备结构简单、高柔性和良好的仿生特征等其他机械执行机构所无法比拟的特点，是应用最为广泛的柔性驱动方式之一。。气动肌肉的核心是一个可拉伸的薄壁囊，其外部是一个有限的材料，其两端带有连接器，这个能使气动肌肉在压力下收缩。收缩力的大小取决于部件的几何尺寸、制造材料和充气压力相关联。气动肌肉的拉伸强度随收缩率的增加而降低，在最大收缩率的时候，起始输出力为0。这意味着当达到推拉极限时，不会超过预定范围。作为一种流体驱动人工肌肉，可分为扁平结构、纤维增强结构、弹性气闸结构和增强弹性结构。与传统的气动传动相比，它的升程更小;充气变形是一个很强的非线性环节，因此很难实现精确控制，同时灵活性也限制了精度和重复性。六、结语当前消防队从单一的火灾扑救拓展为“全灾种，大应急”，对新技术的呼声也达到了前所未有的高度。作为机械学、材料学、生物医学等多学科交叉的新技术，与现代消防的工作需要契合度高。相信随着外骨骼技术的不断发展，消防救援人员能够更顺利的开展救援工作。参考文献：[1]赵晓青.碳纤维复合材料回收再利用的现状分析[J].化工设计通讯，2020，46（10）：30-31.[2]新型聚苯胺/聚硅氧烷柔性纳米复合薄膜的设计及其在气体传感器中的应用[J].有机硅材料，2020，34（04）：34.[3]蔡建明，弭光宝，高帆，黄浩，曹京霞，黄旭，曹春晓.航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展[J].材料工程，2016，44（08）：1-10.[4]陈程.氟磷共掺杂二氧化锡（FPTO）导电材料的制备及性能研究[D].北京化工大学，2015.[5]范海刚.工业企业生产现场钛金属管材的焊接维修[J].新疆有色金属，2014，37（S1）：163-164.[6]王波.视觉里程计实验台设计与步进电机