“真是心有余而力不足啊。”國家礦山應急救援國能神東隊（以下簡稱國能神東隊）上灣中隊隊員李光云感嘆。在應急救援領域工作了20多年的他，提起幾年前參與的一次煤礦透水事故救援，神情依舊凝重。
發生透水事故后的井下，環境異常復雜，巷道積水、底板濕滑，隊員們既要清理冒落矸石與障礙物，又要快速轉運被困人員，每一步都異常艱難。“到救援的后期，手酸軟到使不上勁，腰像要斷了一樣，雙腿更沉得抬不起來。心里拼命想把人快點救出去，可體力已經跟不上了。”李光云坦言，那時候就想著，如果有一套裝備能幫著搭把手、分點力，就好了。
如今，站在訓練場上，穿戴著外骨骼機器人的他，語氣里多了幾分踏實與篤定：“有了外骨骼，我們就能把寶貴的體力，集中用在救援現場更關鍵的環節。面對未來的實戰救援，我心里更有底，也更有信心了?！?/span>
李光云提到的外骨骼，是我國首套適配礦山復雜環境的應急救援外骨骼機器人，由國家能源集團神東煤炭公司（以下簡稱神東煤炭）與煤炭科學研究總院（以下簡稱煤科總院）聯合研發。近期，該裝備已正式進入工業性試驗階段，其投用將為事故救援中的逆行者們，披上一副堅韌的“智慧鎧甲”。
據了解，這套礦山應急救援外骨骼機器人可以整機續航超過6小時，運動判識準確率達95%以上，最大搬運拖拽重量達80公斤——相當于一個成年男子的體重，可有效降低人體代謝消耗約20%。
在礦山應急救援中，豎井攀爬、陡坡負重、長距離轉運、連續數小時高強度作戰……都挑戰著救援人員的生理極限。如何用可靠、實用、適配的科技手段，為救援隊員減負、賦能、護航，已成為提升礦山應急救援能力，突破傳統救援模式的關鍵命題。
當救援遇上“體力天花板”
去年6月的一天，一通緊急來電打破了國能神東隊夏日的平靜——附近某煤礦發生墜井事故。危急關頭，該隊立即整裝出征。
“垂深200多米的豎井，淋水像瀑布一樣往下澆，井下情況不明。雖然氣體指標正常，但那口井的環境實在太危險了。”國能神東隊副大隊長兼總工程師楊英兵回憶起當時的場景，眉頭依舊不自覺地緊鎖。
初步了解現場情況后，國能神東隊的三名隊員主動請纓，下井探查?！芭滥翘葑雍推綍r爬樓梯可完全是兩碼事，濕滑、陡峭，仿佛沒個盡頭。”楊英兵感慨。正常情況下，攀爬一趟豎井已經給體能帶來極大挑戰，然而國能神東隊的隊員們往返三趟，還要運出被困的人員，“這是對生理與意志的雙重考驗?！?/span>
“隊員們中途連飯都不敢吃，就怕吃過飯后身體一放松，力氣泄了，所以只能咬牙硬撐?！睏钣⒈锌卣f，這場救援行動整整持續了14.5小時，當隊員將被困人員成功抬出井口時，無一不是渾身濕透，癱倒在地，體力完全透支。
楊英兵從事礦山應急救援工作多年，說起體能消耗這件事，他再清楚不過?！捌匠Ｓ柧?、演習，都是有時間限制的，一般一兩個小時，即便配氧訓練也不過三四個小時?？烧鎸嵉木仍沁B續作戰，有時需要幾天幾夜不停歇，體力消耗是幾何級上升的。”他直言，特別是重大事故發生后，一次救援可能涉及多名被困人員，抬運、負重以及其他長時間高強度作業，常常讓隊員們陷入有心無力的困境。
井下的復雜環境進一步加劇了救援人員的體力消耗。“特別是斜井救援，坡度常常達到30度至40度，隊員們上下坡往返一趟，體能消耗成倍增長。”楊英兵說，“有些事故發生后，巷道發生坍塌，只留下狹窄的通道，隊員不得不彎腰甚至匍匐前進?！?/span>
更不容忽視的是井下固有的安全風險，瓦斯、粉塵等易燃易爆物質無處不在?！叭魏我唤z電火花，都可能引發二次災害，造成難以挽回的后果。這就對所有下井裝備都提出了極為嚴苛的要求。”楊英兵強調，所有下井設備必須經過嚴格的防爆認證。
在一場常規的救援任務中，隊員需要背負約30斤重的空氣呼吸器，再加上救援服、破拆工具、照明與定位設備，全身負重常常超過50斤。對于長期從事高強度作業的救援人員來說，腰傷、膝傷、關節勞損等職業病十分常見。
礦山應急救援外骨骼機器人的背部“剛性”區域
一面是復雜環境下的體力透支，一面是不容有失的高效救援，如何通過更適配、更可靠、更人性化的裝備創新，為一線救援人員減輕負擔、增強保障，成為礦山應急救援行業不斷探索的方向。
一副適配礦井的“智慧鎧甲”
外骨骼機器人，這個聽起來像是科幻電影里的產物，實際上已廣泛應用于醫療康復、物流倉儲、戶外運動等諸多領域?！熬掠芯碌囊?。面對礦山應急救援的一道道現實難題，并不是隨便一套外骨骼機器人設備都能下井。”楊英兵說。
“防爆是必須守住的底線?！彼苯亓水數刂赋?，這就要求礦山應急救援外骨骼機器人必須做成本質安全型產品，用更低的電壓、更小的電流，把所有可能產生火花的電路與部件都封死。目前，這套由神東煤炭與煤科總院聯合研發的礦山應急救援外骨骼機器人，已經取得煤礦安全認證，具備井下正規使用資格。
國能神東隊隊員自主穿戴礦山應急救援外骨骼機器人
神東煤炭技術研究院機電信息研發部科研管理員關丙火一邊掰著手指頭數一邊說：“井下有五大常見災害——水、火、瓦斯、頂板、粉塵。我們都得做好相應的防護?！?/span>
針對這些苛刻要求，研發團隊從設計之初就把本質安全作為第一原則。整機嚴格按照煤安標準打造，采用本安型電路與限流降壓設計，徹底杜絕電火花產生的可能；關鍵部件密封隔爆，整體滿足高等級防水、防塵、防腐蝕要求。即便在淋水如瀑布的豎井、煤塵彌漫的巷道、瓦斯積聚的災區，這套外骨骼也能實現安全作業。
但以上這些設計只是一套井下裝備的“入場券”，真正讓外骨骼機器人從“能用”走向“好用”，考驗的是這套裝備與人的有機協同能力。關丙火說：“裝備中的剛柔耦合設計正是為了提升這種能力?！?/span>
在礦山應急救援中，救援人員需要在多種姿態間頻繁切換，走路、跑步、彎腰、爬坡、扛重物、搬石頭……如果外骨骼太硬，穿戴者的靈活度必定受限，難以完成奔跑、深蹲、彎腰等復雜動作，反而會給救援人員帶來額外負擔；如果太軟，裝備則無法在負重場景下為穿戴者提供有效助力。一套裝備要同時滿足剛性與柔性的雙重需求，這對其結構設計與控制策略提出了極高要求。
關丙火介紹，這套外骨骼實現了“該剛則剛、該柔則柔”。剛性部分集中在背部與設備防護區，這些區域采用航空級碳纖維復合材料，強度高、耐碰撞，既能為人體提供穩定的結構支撐，又能保護內部集成的傳感器、控制器、電池等核心部件。柔性部分則主要分布在髖關節、膝關節、踝關節等人體活動最頻繁的部位。這些部位采用柔性驅動器，貼合人體運動軌跡，可跟隨動作靈活屈伸。
然而，實現了剛柔耦合還不夠，外骨骼還得懂人，甚至要預判人的動作?！叭艘龋雀兄?；人要彎腰，它先助力；人慢它慢，人快它快。不是機器拽著人走，而是人機一起走。”關丙火說，該裝備能精準識別行走、彎腰、攀爬、負重等動作，運動判識準確率達到95%以上。
此外，這套礦山應急救援外骨骼機器人基于人工智能深度學習技術，搭載高精度慣性傳感器、肌電信號傳感器、壓力傳感器、柔性傳感器，再配合柔性驅動技術，有效提高了外骨骼機器人助力反饋效能，形成穩定的“感知—決策—執行”閉環，從而實現發力平順、響應及時，不生硬、不卡頓。
“這套裝備不是簡單幫人抬一下，而是全程跟著人的節奏。”關丙火說，經實測，這套外骨骼可幫助救援人員減輕體力負擔，降低人體代謝消耗約20%，在上下坡、負重、長時間作業時效果最明顯。
從一線中來到實戰中去
早在2022年，神東煤炭就聯合煤科總院，啟動礦山應急救援外骨骼機器人研發，緊扣一線實戰需求，全程由救援隊員參與測試。
楊英兵第一次見到初代外骨骼機器人的時候，心里充滿了質疑：“早期它就是個鐵殼子，往秤上一放，足足40斤?！?0斤是什么概念？他表示，救援隊員本來就要背負近30斤的空氣呼吸器，再套上這么重的外骨骼機器人，全身負重直逼70斤?！白屢粋€人背著70斤東西在井下抬運、摸爬、救援，別說幫忙助力，不直接累趴下就算不錯了?！?/span>
鐵質設備太重，換成鋁材依然不夠輕便，研發一度陷入瓶頸。關丙火介紹，轉機出現在碳纖維復合材料的引入。這種航空級材料強度高、重量輕，還具備阻燃性能，完美契合煤礦井下使用需求。用這種材料替換金屬結構件，外骨骼機器人的重量應聲而降。
這套外骨骼機器人的研發團隊常年往返于北京和鄂爾多斯，在實驗室與訓練場之間形成閉環：隊員穿戴測試、現場反饋問題；團隊收集數據、優化結構與算法；改進后再測試、再迭代，不放過任何一個細節問題。那些來自救援一線最直白的感受成為驅動裝備迭代的最強動力，推著這套外骨骼機器人從笨重生硬的鐵疙瘩，一步步蛻變為懂人、助人、貼心的智能裝備。
國能神東隊上灣中隊進行日常訓練
國能神東隊上灣中隊隊員劉博回憶，有一次參與某地塌方事故救援，救援車輛無法駛入現場，所有裝備只能靠人力徒步搬運。身著搶險救援服、腳蹬膠靴、背著空氣呼吸器的他和隊友們，需要在事故現場和指揮中心間來回奔波?！皬南挛缫恢眾^戰到深夜，腿沉得像灌了鉛，有種身體都不聽使喚了的感覺?！?/span>
第一次穿戴外骨骼進行負重作業后，劉博感受到了明顯不同：“感覺有一部分重量被分擔了，走起路來輕松了許多?！?/span>
訾金焰是劉博的隊友，他說穿上外骨骼后，感覺就像腿上拴了兩根繩子，上下樓梯時仿佛有人在上面輕輕拽著、提著。更讓他滿意的是外骨骼的主動防護功能?！耙郧鞍嶂貣|西，總擔心姿勢不對會閃了腰，得一直繃著勁?，F在，它能實時監測我的姿態，彎腰角度太大時會自動增加支撐力，不用再提心吊膽了?！?/span>
楊英兵在跑步時穿過外骨骼：“那種感覺就像把綁在腿上的沙袋突然取掉了，有股力輕輕推著你向前?！?/span>
來源：中國煤炭報
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