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人人都可以是超人——单兵外骨骼
发布时间:2020-07-17     作者:鸿爪雪梨   来源:科普中国   分享到:

在好莱坞科幻电影中,我们常看到特种作战的士兵的腰部、腿部等部位装配有金属框架类的配件,戴上这种装备的士兵个个力大无穷,健步如飞且还能飞檐走壁。这种形似骨架的,能增强人类能力的可穿戴机电装备就是我们常听说的“外骨骼”。

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图1 科幻电影《流浪地球》中的全身外骨骼(图片来源于网络)

外骨骼的概念其实并不新奇,早在19世纪,俄罗斯发明家尼古拉斯·亚根即已提出利用弹簧作为动力来帮助跳跃、奔跑的装置;而美国发明家莱斯利·凯利也曾提出小型蒸汽机、压缩气囊加外置框架的方式提供动力的想法,但当时电力技术刚刚起步,这类装置的机械效率很低。

和许多其他的民用先进技术一样,外骨骼技术的发展最开始也是由军方提出需求而引导的。60年代前后,美国军方启动了增强型军用装甲项目,康奈尔大学、通用电气公司等的研究者也同步开始了人体增强的概念研究。之后数年内,曾出现第一款名为哈迪曼(Hardiman)的单兵可穿戴装备,哈迪曼拥有28个关节和两个抓取臂,由复杂的液压和电子系统驱动。实验中曾成功举起过1500磅的重物。但限于当时的技术条件,哈迪曼自重几乎等同于其举重量,且稳定性不佳,能量不足,这款外骨骼的先行者未能推广。

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图2 哈迪曼(Hardiman)单兵可穿戴装备(图片来源于网络)

但对外骨骼的技术研究一直在稳步推进。步入21世纪,美国国防部高级研究计划局(DAPRA)启动了“增强人体机能的外骨骼”(EHPA)项目,并设置了约5000万美元的经费支持。加州大学伯克利分校在此资助下,完成了下肢末端外骨骼”(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton,BLEEX)样机的试验测试。BLEEX外骨骼是一种下肢外骨骼机器人,拥有两个拟人腿,单腿有7个自由度,整体质量约为45kg,穿戴者身着此装备,即使在负重35kg的情况下,仍然可以活动自如。这款外骨骼的最大突破是在每条腿上均大量集成了不同类型的传感器,可以实时获得人体的运动信息,并基于最小化人体交互作用设计控制策略,通过液压驱动关节运动,最大限度的贴合人体运动规律。

BLEEX一代奠定了外骨骼技术的发展思路,在此基础上,军用外骨骼加速发展,到2009年,Berkely Bionics公司推出了第三代BLEEX外骨骼“HULC”,HULC的灵活性大大提高,使用者可以随意完成下蹲、匍匐等战术动作,且最大负载提高至90kg,最大爆发速度可提升至16km/h。美国Sarcos公司的XOS外骨骼方案同样也是外骨骼领域的佼佼者,XOS的动作灵敏度较高,紧贴身体表面的传感器能直接感应到穿着者的动作幅度和力度,电脑通过计算后实时控制相应的液压动作器输出合适的幅度和力度。据2020年1月的最新消息,最新版本“guardian XO”即将交付用户,续航时间长达8小时,可辅助举起90kg的重物。

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图3 guardian XO的操作者轻松举起一枚90kg的导弹(图片来源于网络)

除了美国,其他国家也在加紧研发军用外骨骼装置。例如德国在研发一种可穿戴式的动力滑翔系统——狮鹫翼装( gryphon wingsuit) 。俄罗斯莫斯科国立大学在俄国防部支持下,也在开展旨在减轻军人体力负荷的外骨骼机器人的研究,主要研究内容是加强装置的腿部及腰部等负荷能力,提高双手灵活性以及配置相匹配的防弹罩,以期在防爆反恐方面能够有用武之地。

总的来说,军用外骨骼技术发展多年,发展路线和关键技术已经基本明确。未来发展趋势主要集中在减轻自重、延长续航、提高辅助载重、防弹、提高智能程度等方面。其中难度最大的当属延长续航,外骨骼装置的初衷是为士兵小队或独立作战提供支持,但现有的4-5小时的续航时间是不敷使用的,尤其是在满负重和快速移动的情况下,实际时间可能不到3小时,在储能技术未得到突破之前,续航将一直是外骨骼和其他各行业的最大痛点。

与此同时,外骨骼技术在民品领域的发展更为迅速,可辅助负重的外骨骼对于工厂企业意义重大,如FORTIS工业用外骨骼可为工人提供能够将重力分散向地面的必要支撑,还设置有放置工具的悬臂,能大幅度提高工作效率。而外骨骼技术在医疗、劳动保护等方面也有应用,如日本Cyberdyne公司开发的液压助力肢体套装(HAL),可通过搜集人体表面的肌肉电信号对机器人传达指令,从而帮助人行走、负重。美国Parker Hannifin公司生产的Indego型外骨骼设备已于2016年获得FDA批准,以帮助下肢受伤的患者预后恢复。

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图4 FORTIS工业用外骨骼(图片来源于网络)

军事小百科:在机电小型化、传感器技术、控制算法、生物机械学等技术取得长足进步的基础上,外骨骼技术在近20年内蓬勃发展。外骨骼设备通过采集人体机电信号能在极短时间内准确反馈到驱动机构,从而跟随人体做出一致的辅助动作。外骨骼技术越来越多的用于民品领域,对体力劳动者、老年人、行动不便者均有重大意义。

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