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“真是心有余而力不足啊。”国家矿山应急救援国能神东队（以下简称国能神东队）上湾中队队员李光云感叹。在应急救援领域工作了20多年的他，提起几年前参与的一次煤矿透水事故救援，神情依旧凝重。
发生透水事故后的井下，环境异常复杂，巷道积水、底板湿滑，队员们既要清理冒落矸石与障碍物，又要快速转运被困人员，每一步都异常艰难。“到救援的后期，手酸软到使不上劲，腰像要断了一样，双腿更沉得抬不起来。心里拼命想把人快点救出去，可体力已经跟不上了。”李光云坦言，那时候就想着，如果有一套装备能帮着搭把手、分点力，就好了。
如今，站在训练场上，穿戴着外骨骼机器人的他，语气里多了几分踏实与笃定：“有了外骨骼，我们就能把宝贵的体力，集中用在救援现场更关键的环节。面对未来的实战救援，我心里更有底，也更有信心了。”
李光云提到的外骨骼，是我国首套适配矿山复杂环境的应急救援外骨骼机器人，由国家能源集团神东煤炭公司（以下简称神东煤炭）与煤炭科学研究总院（以下简称煤科总院）联合研发。近期，该装备已正式进入工业性试验阶段，其投用将为事故救援中的逆行者们，披上一副坚韧的“智慧铠甲”。
据了解，这套矿山应急救援外骨骼机器人可以整机续航超过6小时，运动判识准确率达95%以上，最大搬运拖拽重量达80公斤——相当于一个成年男子的体重，可有效降低人体代谢消耗约20%。
在矿山应急救援中，竖井攀爬、陡坡负重、长距离转运、连续数小时高强度作战……都挑战着救援人员的生理极限。如何用可靠、实用、适配的科技手段，为救援队员减负、赋能、护航，已成为提升矿山应急救援能力，突破传统救援模式的关键命题。
当救援遇上“体力天花板”
去年6月的一天，一通紧急来电打破了国能神东队夏日的平静——附近某煤矿发生坠井事故。危急关头，该队立即整装出征。
“垂深200多米的竖井，淋水像瀑布一样往下浇，井下情况不明。虽然气体指标正常，但那口井的环境实在太危险了。”国能神东队副大队长兼总工程师杨英兵回忆起当时的场景，眉头依旧不自觉地紧锁。
初步了解现场情况后，国能神东队的三名队员主动请缨，下井探查。“爬那梯子和平时爬楼梯可完全是两码事，湿滑、陡峭，仿佛没个尽头。”杨英兵感慨。正常情况下，攀爬一趟竖井已经给体能带来极大挑战，然而国能神东队的队员们往返三趟，还要运出被困的人员，“这是对生理与意志的双重考验。”
“队员们中途连饭都不敢吃，就怕吃过饭后身体一放松，力气泄了，所以只能咬牙硬撑。”杨英兵感慨地说，这场救援行动整整持续了14.5小时，当队员将被困人员成功抬出井口时，无一不是浑身湿透，瘫倒在地，体力完全透支。
杨英兵从事矿山应急救援工作多年，说起体能消耗这件事，他再清楚不过。“平常训练、演习，都是有时间限制的，一般一两个小时，即便配氧训练也不过三四个小时。可真实的救援是连续作战，有时需要几天几夜不停歇，体力消耗是几何级上升的。”他直言，特别是重大事故发生后，一次救援可能涉及多名被困人员，抬运、负重以及其他长时间高强度作业，常常让队员们陷入有心无力的困境。
井下的复杂环境进一步加剧了救援人员的体力消耗。“特别是斜井救援，坡度常常达到30度至40度，队员们上下坡往返一趟，体能消耗成倍增长。”杨英兵说，“有些事故发生后，巷道发生坍塌，只留下狭窄的通道，队员不得不弯腰甚至匍匐前进。”
更不容忽视的是井下固有的安全风险，瓦斯、粉尘等易燃易爆物质无处不在。“任何一丝电火花，都可能引发二次灾害，造成难以挽回的后果。这就对所有下井装备都提出了极为严苛的要求。”杨英兵强调，所有下井设备必须经过严格的防爆认证。
在一场常规的救援任务中，队员需要背负约30斤重的空气呼吸器，再加上救援服、破拆工具、照明与定位设备，全身负重常常超过50斤。对于长期从事高强度作业的救援人员来说，腰伤、膝伤、关节劳损等职业病十分常见。
矿山应急救援外骨骼机器人的背部“刚性”区域
一面是复杂环境下的体力透支，一面是不容有失的高效救援，如何通过更适配、更可靠、更人性化的装备创新，为一线救援人员减轻负担、增强保障，成为矿山应急救援行业不断探索的方向。
一副适配矿井的“智慧铠甲”
外骨骼机器人，这个听起来像是科幻电影里的产物，实际上已广泛应用于医疗康复、物流仓储、户外运动等诸多领域。“井下有井下的要求。面对矿山应急救援的一道道现实难题，并不是随便一套外骨骼机器人设备都能下井。”杨英兵说。
“防爆是必须守住的底线。”他直截了当地指出，这就要求矿山应急救援外骨骼机器人必须做成本质安全型产品，用更低的电压、更小的电流，把所有可能产生火花的电路与部件都封死。目前，这套由神东煤炭与煤科总院联合研发的矿山应急救援外骨骼机器人，已经取得煤矿安全认证，具备井下正规使用资格。
国能神东队队员自主穿戴矿山应急救援外骨骼机器人
神东煤炭技术研究院机电信息研发部科研管理员关丙火一边掰着手指头数一边说：“井下有五大常见灾害——水、火、瓦斯、顶板、粉尘。我们都得做好相应的防护。”
针对这些苛刻要求，研发团队从设计之初就把本质安全作为第一原则。整机严格按照煤安标准打造，采用本安型电路与限流降压设计，彻底杜绝电火花产生的可能；关键部件密封隔爆，整体满足高等级防水、防尘、防腐蚀要求。即便在淋水如瀑布的竖井、煤尘弥漫的巷道、瓦斯积聚的灾区，这套外骨骼也能实现安全作业。
但以上这些设计只是一套井下装备的“入场券”，真正让外骨骼机器人从“能用”走向“好用”，考验的是这套装备与人的有机协同能力。关丙火说：“装备中的刚柔耦合设计正是为了提升这种能力。”
在矿山应急救援中，救援人员需要在多种姿态间频繁切换，走路、跑步、弯腰、爬坡、扛重物、搬石头……如果外骨骼太硬，穿戴者的灵活度必定受限，难以完成奔跑、深蹲、弯腰等复杂动作，反而会给救援人员带来额外负担；如果太软，装备则无法在负重场景下为穿戴者提供有效助力。一套装备要同时满足刚性与柔性的双重需求，这对其结构设计与控制策略提出了极高要求。
关丙火介绍，这套外骨骼实现了“该刚则刚、该柔则柔”。刚性部分集中在背部与设备防护区，这些区域采用航空级碳纤维复合材料，强度高、耐碰撞，既能为人体提供稳定的结构支撑，又能保护内部集成的传感器、控制器、电池等核心部件。柔性部分则主要分布在髋关节、膝关节、踝关节等人体活动最频繁的部位。这些部位采用柔性驱动器，贴合人体运动轨迹，可跟随动作灵活屈伸。
然而，实现了刚柔耦合还不够，外骨骼还得懂人，甚至要预判人的动作。“人要抬腿，它先感知；人要弯腰，它先助力；人慢它慢，人快它快。不是机器拽着人走，而是人机一起走。”关丙火说，该装备能精准识别行走、弯腰、攀爬、负重等动作，运动判识准确率达到95%以上。
此外，这套矿山应急救援外骨骼机器人基于人工智能深度学习技术，搭载高精度惯性传感器、肌电信号传感器、压力传感器、柔性传感器，再配合柔性驱动技术，有效提高了外骨骼机器人助力反馈效能，形成稳定的“感知—决策—执行”闭环，从而实现发力平顺、响应及时，不生硬、不卡顿。
“这套装备不是简单帮人抬一下，而是全程跟着人的节奏。”关丙火说，经实测，这套外骨骼可帮助救援人员减轻体力负担，降低人体代谢消耗约20%，在上下坡、负重、长时间作业时效果最明显。
从一线中来到实战中去
早在2022年，神东煤炭就联合煤科总院，启动矿山应急救援外骨骼机器人研发，紧扣一线实战需求，全程由救援队员参与测试。
杨英兵第一次见到初代外骨骼机器人的时候，心里充满了质疑：“早期它就是个铁壳子，往秤上一放，足足40斤。”40斤是什么概念？他表示，救援队员本来就要背负近30斤的空气呼吸器，再套上这么重的外骨骼机器人，全身负重直逼70斤。“让一个人背着70斤东西在井下抬运、摸爬、救援，别说帮忙助力，不直接累趴下就算不错了。”
铁质设备太重，换成铝材依然不够轻便，研发一度陷入瓶颈。关丙火介绍，转机出现在碳纤维复合材料的引入。这种航空级材料强度高、重量轻，还具备阻燃性能，完美契合煤矿井下使用需求。用这种材料替换金属结构件，外骨骼机器人的重量应声而降。
这套外骨骼机器人的研发团队常年往返于北京和鄂尔多斯，在实验室与训练场之间形成闭环：队员穿戴测试、现场反馈问题；团队收集数据、优化结构与算法；改进后再测试、再迭代，不放过任何一个细节问题。那些来自救援一线最直白的感受成为驱动装备迭代的最强动力，推着这套外骨骼机器人从笨重生硬的铁疙瘩，一步步蜕变为懂人、助人、贴心的智能装备。
国能神东队上湾中队进行日常训练
国能神东队上湾中队队员刘博回忆，有一次参与某地塌方事故救援，救援车辆无法驶入现场，所有装备只能靠人力徒步搬运。身着抢险救援服、脚蹬胶靴、背着空气呼吸器的他和队友们，需要在事故现场和指挥中心间来回奔波。“从下午一直奋战到深夜，腿沉得像灌了铅，有种身体都不听使唤了的感觉。”
第一次穿戴外骨骼进行负重作业后，刘博感受到了明显不同：“感觉有一部分重量被分担了，走起路来轻松了许多。”
訾金焰是刘博的队友，他说穿上外骨骼后，感觉就像腿上拴了两根绳子，上下楼梯时仿佛有人在上面轻轻拽着、提着。更让他满意的是外骨骼的主动防护功能。“以前搬重东西，总担心姿势不对会闪了腰，得一直绷着劲。现在，它能实时监测我的姿态，弯腰角度太大时会自动增加支撑力，不用再提心吊胆了。”
杨英兵在跑步时穿过外骨骼：“那种感觉就像把绑在腿上的沙袋突然取掉了，有股力轻轻推着你向前。”
来源：中国煤炭报
