在醫(yī)療、工業(yè)和國防領(lǐng)域需求的推動下，動力外骨骼的全球市場預(yù)計在2023年達(dá)到28億美元——遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2017年的3億美元。

從改善脊髓損傷患者的活動能力到幫助工廠和建筑工人搬運(yùn)重物，以及增強(qiáng)士兵在戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)能力，將機(jī)器人技術(shù)和運(yùn)動機(jī)能學(xué)結(jié)合在一起所帶來的好處變得不容忽視。然而就像幾乎所有可穿戴技術(shù)或電動設(shè)備一樣，外骨骼結(jié)構(gòu)存在固有的風(fēng)險，設(shè)計師和工程師們必須要解決這些風(fēng)險，從而確保用戶的健康和安全。

外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)電子產(chǎn)品長時間直接與人體接觸使用時，很多電子產(chǎn)品固有的安全風(fēng)險變得更加的重要。對于可穿戴設(shè)備，比如耳機(jī)或手表，其存在的問題如過熱或靜電放電等令人擔(dān)憂。然而用戶通常可以在很短的時間內(nèi)（幾秒鐘）移開設(shè)備，因此幾乎不存在造成任何嚴(yán)重傷害的可能性。

外骨骼架構(gòu)的情況并不總是如此，因?yàn)樗鼈兺ǔ０踩馗街诨蛲耆庋b在身體的某一部分，比如胳膊、腿等。在這些情況下當(dāng)故障導(dǎo)致過熱或短路時，例如用戶可能無法快速脫離系統(tǒng)，從而增加了受傷的機(jī)會。

此外由于很多外骨骼結(jié)構(gòu)使用高扭矩伺服電機(jī)為運(yùn)動提供足夠的力量，充足的動力源是至關(guān)重要的。鋰離子電池（Li-ion）是一些小型化外骨骼結(jié)構(gòu)的選擇，它們不需要很大的驅(qū)動力。然而很多情況（尤其是在工業(yè)應(yīng)用中）外骨骼結(jié)構(gòu)必須連接到外部出口并固定好。這種連接不可避免的將用戶暴露在高電流情況下，無疑會帶來觸電的風(fēng)險。

電、熱以及生物相互兼容性測試

電子設(shè)備與皮膚接觸溫度不應(yīng)該超過37℃，這是人體的核心溫度。超過這個溫度會給用戶帶來不舒服的感覺，嚴(yán)重的情況下可能還會引發(fā)灼傷。因此許多外骨骼結(jié)構(gòu)必須符合醫(yī)療電子標(biāo)準(zhǔn)，其中包括防止過熱的設(shè)計要求，靜電放電和輻射等危害也要避免。

對于很多用于醫(yī)療應(yīng)用的外骨骼結(jié)構(gòu)，美國食品與藥物管理局（FDA）聯(lián)邦法規(guī)（CFR）21條解決了電擊、熱灼傷和生物向兼容性方面的風(fēng)險和擔(dān)憂。CFR 21文檔的第890頁定義了動力外骨骼結(jié)構(gòu)，它是“一種處方設(shè)備，由外部動力驅(qū)動的矯形器，可以用于癱瘓或虛弱病人的肢體上，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療的目的。”具體的測試和安全說明如下：

設(shè)備可能直接接觸到病人身體的各種組件的材料必須完全符合生物相容性

適當(dāng)?shù)姆治?測試必須驗(yàn)證電磁兼容性（EMC/EMI）干擾在正常水平，電氣安全、發(fā)熱安全、機(jī)械安全、電池性能和安全以及無線通信性能都需要測試。

電池

對于外骨骼架構(gòu)來說，它們有自己的動力來源，電池是值得關(guān)注的一方面，對于用戶來說這是最大的安全隱患之一。熱失控則是使用可充電鋰離子電池設(shè)備必須關(guān)注的問題，當(dāng)溫度上升引起放熱反應(yīng)時就會釋放過多的熱量，同時就會發(fā)生這種情況。這種熱量會導(dǎo)致放熱反應(yīng)的速率增加，而放熱反應(yīng)又會釋放出更多的熱量，外骨骼架構(gòu)中出現(xiàn)熱失控問題是非常嚴(yán)重的風(fēng)險。

近些年來，可穿戴系統(tǒng)制造商采取了各種措施來應(yīng)對與電池相關(guān)的安全風(fēng)險，例如有些系統(tǒng)采用大容量的一次性電池，而不是可充電的鋰離子電池。其他一些公司則在探索更高級電池管理方案，比如監(jiān)控電池的健康狀況、最大化電池的使用壽命。最近的一項(xiàng)進(jìn)展是在低功耗的可穿戴設(shè)備中采用智能紡織品，它能夠吸收陽光從而在內(nèi)部產(chǎn)生電能，而且也保證了運(yùn)動的柔軟和靈活性。

接線端子

接線端子對于可穿戴電子產(chǎn)品的可靠性和性能至關(guān)重要，然而由于它們的低成本和簡單性使得它們在開發(fā)和執(zhí)行過程中經(jīng)常被忽視，在外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域尤其如此，大量昂貴的集成電路和伺服電機(jī)被采用，這也是一個先例。

當(dāng)檢查可穿戴電子設(shè)備的故障時，檢查人員發(fā)現(xiàn)最常見的原因之一是兩個接口之間失去了連接，很多時候這都是接線端子故障的結(jié)果。外骨骼結(jié)構(gòu)通常要用到數(shù)百個連接器實(shí)現(xiàn)各組件的連接，比如傳感器、電池、電路板等。由于這些都有潛在的故障點(diǎn)，因此選擇合適的連接器至關(guān)重要。

Molex公司推出的CP-3.3 有線對有線的連接器系統(tǒng)是面向這類產(chǎn)品的一個非常好的示例，充分考慮了消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)和醫(yī)療可穿戴設(shè)備用戶的安全。插座外殼上的慣性鎖有助于確保完整性、插入鎖定，降低故障發(fā)生的可能性，當(dāng)連接好后還會提供聲音提示。此外完全極化和彩色編碼的插頭和插座外殼允許在一個應(yīng)用中使用多個相同大小的電路連接器。

總結(jié)：安全第一

近年來動力外骨骼結(jié)構(gòu)在醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域的市場迅猛增漲，雖然這些和其他可穿戴電子產(chǎn)品帶來的好處越來越不容忽視，但是設(shè)計師和制造商必須警惕它們可能對用戶構(gòu)成的潛在安全風(fēng)險。雖然很多創(chuàng)新性措施正在被用于解決與電子接口和人體接觸相關(guān)的問題，但是高質(zhì)量高可靠性組件的采用（比如連接器、有線連接）一次又一次的證明是最有效的方式，確保了產(chǎn)品在性能和可靠性問題上的全面成功。