外骨骼新方向：“勇士織衣”軟式動(dòng)力裝置取得重大進(jìn)展

佟鑫

現(xiàn)今，已有多種外骨骼動(dòng)力系統(tǒng)問世，這些外骨骼系統(tǒng)受自然界生物的影響，均為硬式外殼，不過，因種種缺陷，外骨骼系統(tǒng)尚未真正進(jìn)入實(shí)用階段。而美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advance Research Projects Agency ，DARPA）認(rèn)為，外骨骼系統(tǒng)并不只有硬式外殼這一種方向，因此便啟動(dòng)了名為“勇士織衣”（Warrior Web）的軟式動(dòng)力裝置計(jì)劃。該計(jì)劃在2016年已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，并可能改變未來十年的士兵樣貌——

“勇士織衣”軟式動(dòng)力裝置在近期取得了重大進(jìn)展，很可能改變10年后的士兵樣貌

外骨骼系統(tǒng)研究歷程

及近年成果

在自然界中，外骨骼基本上是由甲殼素所組成，例如昆蟲、節(jié)肢動(dòng)物的骨骼等，而動(dòng)力來源則是附著于外骨骼內(nèi)部的肌肉。外骨骼可對(duì)生物本身形成支撐性，同時(shí)又因生長(zhǎng)于外部，可發(fā)揮保護(hù)生物以及防止水分散失的雙重作用，因此傳統(tǒng)的硬式外骨骼便成為工程界最早的模仿對(duì)象。

歷史上，第一個(gè)提出動(dòng)力外骨骼的設(shè)想，是俄國(guó)發(fā)明家尼古拉斯·楊在1890年所提出的，并于1889年申請(qǐng)專利，該系統(tǒng)以壓縮氣體背包驅(qū)動(dòng)腿部的外骨骼。而美國(guó)發(fā)明家萊斯利·凱利則于1919年提出以蒸汽驅(qū)動(dòng)鋼絲的軟式動(dòng)力裝置。盡管他們的發(fā)明并未實(shí)用化，但其提出的以機(jī)械能來輔助肌肉動(dòng)力的概念影響著后人。

動(dòng)力外骨骼的概念最早在1890年由俄國(guó)發(fā)明家尼古拉斯·楊提出，并申請(qǐng)了專利。該系統(tǒng)以壓縮氣體背包驅(qū)動(dòng)腿部

世界公認(rèn)的第一套動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)，則是1965年通用電力公司所開發(fā)的Hardiman，這套動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)可以輕松舉起110kg的物體。盡管取得了初步的成功，但Hardiman本身卻重達(dá)680kg，簡(jiǎn)直是個(gè)龐然大物，因此，Hardiman的設(shè)計(jì)存在很大缺陷。在此之后，外骨骼系統(tǒng)的發(fā)展卻如雨后春筍，不論是工程界、軍方、醫(yī)療甚至是科幻作品中，都可以見到外骨骼系統(tǒng)發(fā)展及研究性應(yīng)用的身影。

美國(guó)國(guó)防部從1960年開始便對(duì)動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生濃厚的興趣，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局則提出了增強(qiáng)人體外骨骼計(jì)劃，在該計(jì)劃之下進(jìn)行了大量研究。本文在此主要展示近幾年的典型研究成果。

近7年來，美國(guó)共有幾項(xiàng)令人矚目的動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)問世，分別是雷神公司的XOS-2、洛克希德·馬丁公司的HULC以及特戰(zhàn)司令部與國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局合作的TALOS。

1919年美國(guó)發(fā)明家萊斯利·凱利提出了以鋼絲牽動(dòng)腿部的概念，在概念上與“勇士織衣”系統(tǒng)相仿

雷神公司在2010年所推出的XOS-2外骨骼系統(tǒng)，能使使用者單手舉起90.7kg的啞鈴數(shù)百次而不感到疲累，甚至能一拳擊破數(shù)片松木板，同時(shí)也能自然地隨著人體做出拳、伏地挺身、下拉等動(dòng)作，且反應(yīng)十分敏捷。盡管在整體外觀上看起來像是當(dāng)年Hardiman的縮小版，但其敏捷性已經(jīng)有長(zhǎng)足進(jìn)步。

不過，XOS-2外骨骼系統(tǒng)在每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)上都必須設(shè)置電動(dòng)機(jī)，能耗較大，必須由外部電源供電，且本身質(zhì)量高達(dá)95kg。因此，XOS-2外骨骼系統(tǒng)只能用于工程或補(bǔ)給，例如為戰(zhàn)機(jī)掛載導(dǎo)彈，或搶險(xiǎn)救援中搬起重物等。

全世界第一具動(dòng)力外骨骼是通用電力公司在1965年開發(fā)的Hardiman，盡管取得了初步的成功，但它的缺陷也很明顯，其重達(dá)680kg。圖為Hardiman構(gòu)想圖和模型

而洛克希德·馬丁公司與柏克萊生化機(jī)械公司在2009年合作推出的人體通用攜帶器（Human Universal Load Carrier，HULC）則是結(jié)構(gòu)上更為簡(jiǎn)單的外骨骼系統(tǒng)，其去掉了上肢的動(dòng)力輸出，將動(dòng)力輸出全部放在腿部。HULC可以承載重達(dá)90.7kg的物體，并能在不妨礙使用者上半身動(dòng)作的情況下，做出各式各樣的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，包括匍匐前進(jìn)和跪姿射擊等。

雷神公司在2010年推出的XOS-2動(dòng)力外骨骼能夠讓使用者輕易地取起重物，甚至靈活地配合使用者的動(dòng)作，但其高耗電的特性卻使得它無法進(jìn)入實(shí)用

盡管美國(guó)陸軍對(duì)HULC進(jìn)行了大量測(cè)試，但最終仍未將HULC投入實(shí)戰(zhàn)測(cè)評(píng)或小批量采用。據(jù)分析，主要問題是HULC的供電無法解決，盡管其電池續(xù)航能力可高達(dá)72小時(shí)，但僅能保證在水平地形上以4km/h的速度行走20km;若以16km/h的速度沖刺或爬坡則會(huì)進(jìn)一步減少續(xù)航能力，若要行走更長(zhǎng)的距離則需要攜帶額外的電池。

特戰(zhàn)司令部與國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局合作的戰(zhàn)術(shù)突擊輕型作戰(zhàn)服計(jì)劃（Tactical Assault Light Operator Suit Project，TALOS）在穿戴時(shí)能智能分配重量，可減輕負(fù)重對(duì)身體的影響。另外，對(duì)TALOS的進(jìn)一步要求是，希望其將現(xiàn)有防彈部分提供的18%防護(hù)面積提升到60%，對(duì)士兵的防護(hù)效能提升到全新的層次，正如古代的重甲騎士一般，持有常規(guī)兵器的敵人將難以對(duì)它造成傷害;同時(shí)要求TALOS整合先進(jìn)夜視鏡、身體狀態(tài)感測(cè)器等，使其成為更先進(jìn)的步兵裝甲。對(duì)其重量要求必須在180kg以下，續(xù)航能力必須在耗能12KW的情況下續(xù)行12小時(shí)。美國(guó)國(guó)防部希望能在2018年投入量產(chǎn)。

但TALOS的技術(shù)難度極高，僅是重量就難以達(dá)標(biāo)，且耗能問題也難以解決，因此2018年投產(chǎn)幾乎是不可能的，而據(jù)陸軍最新的估評(píng)，TALOS可能要等到2026年左右才能投產(chǎn)。不過，TALOS的概念確實(shí)已經(jīng)成為未來士兵動(dòng)力外骨骼的高端標(biāo)桿，也就是希望使士兵成為鋼鐵人。

不過，大批量的裝備除了要符合戰(zhàn)術(shù)需求外，亦要符合成本需求。目前，上述3種動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)盡管都有自身的優(yōu)勢(shì)，但卻因?yàn)榧夹g(shù)的限制而現(xiàn)階段難以被實(shí)際應(yīng)用。即便防護(hù)如TALOS般優(yōu)秀、承載力如HULC般強(qiáng)大、力量如XOS-2般強(qiáng)壯，但卻只有數(shù)小時(shí)的續(xù)航能力。倘若戰(zhàn)斗時(shí)間超過續(xù)航時(shí)間，那這些強(qiáng)大的外骨骼將毫無用武之地，并且會(huì)成為士兵的累贅。

士兵穿著XOS-2上戰(zhàn)場(chǎng)，這套外骨骼更適合用來進(jìn)行后勤任務(wù)，例如為戰(zhàn)機(jī)掛載導(dǎo)彈，只要一人就可以完成

洛克希德·馬丁公司推出的HULC外骨骼功能較為簡(jiǎn)單，其去掉了上肢的動(dòng)力輸出，將動(dòng)力輸出全部放在腿部，能夠幫助士兵背負(fù)高達(dá)90.7kg的重量，但續(xù)航能力仍是其瓶頸。美國(guó)陸軍現(xiàn)僅用以測(cè)試而無實(shí)際配發(fā)計(jì)劃

“勇士織衣”：

軟式動(dòng)力裝置

“勇士織衣”（Warrior Web）是一款軟式動(dòng)力裝置，其不同于傳統(tǒng)的硬式外骨骼系統(tǒng)，是在外骨骼系統(tǒng)方面又一次概念性的突破。

據(jù)美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的人體研究工程局主任拉凡卓表示，“勇士織衣”計(jì)劃從2011年開始與國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局合作至今，而國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局還與陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、陸軍納蒂克士兵研究開發(fā)工程中心進(jìn)行合作。各部門在研究方面各有重點(diǎn)，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局著重在驗(yàn)證前瞻性的概念，陸軍研究實(shí)驗(yàn)室則深入研究以指出需要改正的地方，而納蒂克士兵研究開發(fā)工程中心則著重于裝備開發(fā)層面。

在這5年來的設(shè)計(jì)與測(cè)試中，至少對(duì)15套“勇士織衣”進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)室與室外測(cè)試，并于3年前開始成功降低人體的體能消耗，而于2016年4月則取得了減少10%體能消耗的重大成果，同時(shí)減少了肌骨傷害。拉凡卓指出，目前有95%以上的外骨骼系統(tǒng)會(huì)造成使用者較大的體能消耗，這并不代表外骨骼系統(tǒng)沒有提升使用者的力量或協(xié)助負(fù)重，而是穿著時(shí)感覺像行走于水中一般，感受到外骨骼的巨大阻力，但是“勇士織衣”系統(tǒng)已經(jīng)證實(shí)能在不阻礙使用者活動(dòng)的情況下，進(jìn)一步減少使用者的體能消耗。

國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局為“勇士織衣”計(jì)劃制定的目標(biāo)為進(jìn)一步減少25%的體能消耗、全重在6kg（含）以下，耗電在100W（含）以下，同時(shí)具備有快拆扣環(huán)，并預(yù)期在2017年夏季推出具備此功能的“最高版本”。

按照此目標(biāo)，倘若耗電量果真達(dá)到100W以下，一顆18650鋰電池的最大容量是12.95wh（瓦小時(shí)），因此只需要約8顆（共重0.4kg）鋰電池便可以使“勇士織衣”系統(tǒng)使用長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)，續(xù)航能力為TALOS的10倍，同時(shí)全重6kg也是最佳效益點(diǎn)，如果超出這個(gè)數(shù)字，系統(tǒng)本身會(huì)開始占用使用者可以攜帶的物資總重。

“勇士織衣”實(shí)際上就是一套降低疲勞的動(dòng)力裝置，聽起來不怎么強(qiáng)大，但卻是最貼近現(xiàn)實(shí)的一種科技成果。

有別于硬式動(dòng)力外骨骼的設(shè)計(jì)，“勇士織衣”軟式動(dòng)力裝置的構(gòu)造主要包括動(dòng)力背包，以及纏繞于骨盆、大腿并延伸至小腿的固定束帶，而位于足部的最末端則有綁帶和傳感器，這一系列的部件都由一條從足部連接至動(dòng)力背包的鋼纜串連，由電腦判斷使用者的動(dòng)作以縮放鋼纜，并降低肌骨的疲勞度和體能損耗。

相較于需要在各關(guān)節(jié)放置電動(dòng)機(jī)的XOS-2、HULC或者是TALOS，“勇士織衣”系統(tǒng)的活動(dòng)部位重量不僅極度輕量化，甚至還省去了最具象征性且重量最大的外骨骼構(gòu)架，因?yàn)椤坝率靠椧隆北旧砭徒o人體提供輔助力量，而不是由外骨骼承擔(dān)其重量。

“勇士織衣”系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可見到藍(lán)色的鋼纜由動(dòng)力背包驅(qū)動(dòng)，并在小腿部分形成活動(dòng)區(qū)域，而紅色部分則是固定束帶，除了將鋼絲的位置固定外，也能將力量平均分散至下半身，減少體能消耗

軟硬動(dòng)力系統(tǒng)并行發(fā)展

未來，人體動(dòng)力裝置將會(huì)呈現(xiàn)硬式外骨骼系統(tǒng)與軟式動(dòng)力裝置并行發(fā)展的趨勢(shì)。

硬式外骨骼系統(tǒng)如TALOS，其可以外掛大量護(hù)甲，并提供全方位的力量輸出，這些優(yōu)勢(shì)在短兵相接的城鎮(zhèn)戰(zhàn)中特別有利，但TALOS明顯在續(xù)航力以及成本上趨于劣勢(shì)。

軟式動(dòng)力裝置如“勇士織衣”，其功能偏向提升士兵負(fù)重和減少疲勞，而且功能簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)也能有效控制成本，因此適合廣泛配發(fā)給士兵，特別是有長(zhǎng)距離徒步需求的單位。

美國(guó)陸軍參謀長(zhǎng)馬克·米萊上將認(rèn)為，硬式外骨骼/軟式動(dòng)力裝置極具潛力，盡管現(xiàn)在尚難投入實(shí)用，但他預(yù)測(cè)在未來10年內(nèi)，一旦關(guān)鍵技術(shù)被攻克，將非常有可能投入戰(zhàn)場(chǎng)。

編輯/鄭雙雁