[科普中國]-人人都可以是超人——單兵外骨骼

出品：科普中國

作者：鴻爪雪梨

策劃：武玥彤

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部

在好萊塢科幻電影中，我們?？吹教胤N作戰(zhàn)的士兵的腰部、腿部等部位裝配有金屬框架類的配件，戴上這種裝備的士兵個(gè)個(gè)力大無窮，健步如飛且還能飛檐走壁。這種形似骨架的，能增強(qiáng)人類能力的可穿戴機(jī)電裝備就是我們常聽說的“外骨骼”。

圖1 科幻電影《流浪地球》中的全身外骨骼（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

外骨骼的概念其實(shí)并不新奇，早在19世紀(jì)，俄羅斯發(fā)明家尼古拉斯·亞根即已提出利用彈簧作為動力來幫助跳躍、奔跑的裝置；而美國發(fā)明家萊斯利·凱利也曾提出小型蒸汽機(jī)、壓縮氣囊加外置框架的方式提供動力的想法，但當(dāng)時(shí)電力技術(shù)剛剛起步，這類裝置的機(jī)械效率很低。

和許多其他的民用先進(jìn)技術(shù)一樣，外骨骼技術(shù)的發(fā)展最開始也是由軍方提出需求而引導(dǎo)的。60年代前后，美國軍方啟動了增強(qiáng)型軍用裝甲項(xiàng)目，康奈爾大學(xué)、通用電氣公司等的研究者也同步開始了人體增強(qiáng)的概念研究。之后數(shù)年內(nèi)，曾出現(xiàn)第一款名為哈迪曼（Hardiman）的單兵可穿戴裝備，哈迪曼擁有28個(gè)關(guān)節(jié)和兩個(gè)抓取臂，由復(fù)雜的液壓和電子系統(tǒng)驅(qū)動。實(shí)驗(yàn)中曾成功舉起過1500磅的重物。但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，哈迪曼自重幾乎等同于其舉重量，且穩(wěn)定性不佳，能量不足，這款外骨骼的先行者未能推廣。

圖2 哈迪曼（Hardiman）單兵可穿戴裝備（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

但對外骨骼的技術(shù)研究一直在穩(wěn)步推進(jìn)。步入21世紀(jì)，美國國防部高級研究計(jì)劃局（DAPRA）啟動了“增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼”（EHPA）項(xiàng)目，并設(shè)置了約5000萬美元的經(jīng)費(fèi)支持。加州大學(xué)伯克利分校在此資助下，完成了下肢末端外骨骼”(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton，BLEEX)樣機(jī)的試驗(yàn)測試。BLEEX外骨骼是一種下肢外骨骼機(jī)器人，擁有兩個(gè)擬人腿，單腿有7個(gè)自由度，整體質(zhì)量約為45kg，穿戴者身著此裝備，即使在負(fù)重35kg的情況下，仍然可以活動自如。這款外骨骼的最大突破是在每條腿上均大量集成了不同類型的傳感器，可以實(shí)時(shí)獲得人體的運(yùn)動信息，并基于最小化人體交互作用設(shè)計(jì)控制策略，通過液壓驅(qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動，最大限度的貼合人體運(yùn)動規(guī)律。

BLEEX一代奠定了外骨骼技術(shù)的發(fā)展思路，在此基礎(chǔ)上，軍用外骨骼加速發(fā)展，到2009年，Berkely Bionics公司推出了第三代BLEEX外骨骼“HULC”，HULC的靈活性大大提高，使用者可以隨意完成下蹲、匍匐等戰(zhàn)術(shù)動作，且最大負(fù)載提高至90kg，最大爆發(fā)速度可提升至16km/h。美國Sarcos公司的XOS外骨骼方案同樣也是外骨骼領(lǐng)域的佼佼者，XOS的動作靈敏度較高，緊貼身體表面的傳感器能直接感應(yīng)到穿著者的動作幅度和力度，電腦通過計(jì)算后實(shí)時(shí)控制相應(yīng)的液壓動作器輸出合適的幅度和力度。據(jù)2020年1月的最新消息，最新版本“guardian XO”即將交付用戶，續(xù)航時(shí)間長達(dá)8小時(shí)，可輔助舉起90kg的重物。

圖3 guardian XO的操作者輕松舉起一枚90kg的導(dǎo)彈（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

除了美國，其他國家也在加緊研發(fā)軍用外骨骼裝置。例如德國在研發(fā)一種可穿戴式的動力滑翔系統(tǒng)——獅鷲翼裝( gryphon wingsuit) 。俄羅斯莫斯科國立大學(xué)在俄國防部支持下，也在開展旨在減輕軍人體力負(fù)荷的外骨骼機(jī)器人的研究，主要研究內(nèi)容是加強(qiáng)裝置的腿部及腰部等負(fù)荷能力，提高雙手靈活性以及配置相匹配的防彈罩，以期在防爆反恐方面能夠有用武之地。

總的來說，軍用外骨骼技術(shù)發(fā)展多年，發(fā)展路線和關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)基本明確。未來發(fā)展趨勢主要集中在減輕自重、延長續(xù)航、提高輔助載重、防彈、提高智能程度等方面。其中難度最大的當(dāng)屬延長續(xù)航，外骨骼裝置的初衷是為士兵小隊(duì)或獨(dú)立作戰(zhàn)提供支持，但現(xiàn)有的4-5小時(shí)的續(xù)航時(shí)間是不敷使用的，尤其是在滿負(fù)重和快速移動的情況下，實(shí)際時(shí)間可能不到3小時(shí)，在儲能技術(shù)未得到突破之前，續(xù)航將一直是外骨骼和其他各行業(yè)的最大痛點(diǎn)。

與此同時(shí)，外骨骼技術(shù)在民品領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速，可輔助負(fù)重的外骨骼對于工廠企業(yè)意義重大，如FORTIS工業(yè)用外骨骼可為工人提供能夠?qū)⒅亓Ψ稚⑾虻孛娴谋匾?，還設(shè)置有放置工具的懸臂，能大幅度提高工作效率。而外骨骼技術(shù)在醫(yī)療、勞動保護(hù)等方面也有應(yīng)用，如日本Cyberdyne公司開發(fā)的液壓助力肢體套裝（HAL），可通過搜集人體表面的肌肉電信號對機(jī)器人傳達(dá)指令，從而幫助人行走、負(fù)重。美國Parker Hannifin公司生產(chǎn)的Indego型外骨骼設(shè)備已于2016年獲得FDA批準(zhǔn)，以幫助下肢受傷的患者預(yù)后恢復(fù)。

圖4 FORTIS工業(yè)用外骨骼（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

軍事小百科：在機(jī)電小型化、傳感器技術(shù)、控制算法、生物機(jī)械學(xué)等技術(shù)取得長足進(jìn)步的基礎(chǔ)上，外骨骼技術(shù)在近20年內(nèi)蓬勃發(fā)展。外骨骼設(shè)備通過采集人體機(jī)電信號能在極短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確反饋到驅(qū)動機(jī)構(gòu)，從而跟隨人體做出一致的輔助動作。外骨骼技術(shù)越來越多的用于民品領(lǐng)域，對體力勞動者、老年人、行動不便者均有重大意義。