國外軍用助力外骨骼裝備發(fā)展路線

王新蕊 范宇翔 劉鈺

外骨骼是一種為生物提供保護(hù)和支撐的堅(jiān)硬外部結(jié)構(gòu)。軍用助力外骨骼就是模仿生物外骨骼，融合了機(jī)械、電子、傳感器、智能控制、傳動(dòng)及能源等技術(shù)，根據(jù)人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的外置動(dòng)力機(jī)械裝置，可穿戴在士兵身上，直接與肌肉骨骼系統(tǒng)相互作用，能擴(kuò)充或增強(qiáng)人體的生理機(jī)能，賦予士兵部分或全部生物外骨骼所具備的支撐、保護(hù)、運(yùn)動(dòng)以及環(huán)境感知等功能，提高士兵的承載能力、行進(jìn)速度和越障能力，大幅提升士兵的承載攜行能力和搬移托舉能力，具有可穿戴、易操作、高機(jī)動(dòng)、智能化等特征，在單兵負(fù)載、越野機(jī)動(dòng)、搬運(yùn)物資、裝卸炮彈、工程作業(yè)、使用重型維護(hù)工具等方面均能發(fā)揮重要作用。

初始概念——科學(xué)幻想

外骨骼并非近年來才有的新事物，其起源可以追溯到19世紀(jì)。有趣的是，它并非源于發(fā)明家，而是出自英國插畫師羅伯特·西摩在1830年所繪的一幅插畫，畫中人物被安裝了一個(gè)以蒸汽為動(dòng)力的輔助行走裝置。這一畫作啟發(fā)了無數(shù)科學(xué)工作者。1917年，美國發(fā)明家萊斯利·凱利率先實(shí)現(xiàn)了羅伯特·西摩的蒸汽動(dòng)力輔助行走裝置。但由于在實(shí)際使用時(shí)穿戴者必須背著一臺(tái)小型蒸汽機(jī)，且裝置無法完美地隨人體完成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形，此項(xiàng)發(fā)明最終被擱淺。

美國科幻小說家羅伯特·海因萊因1959年出版的著名科幻小說《星船傘兵》中提出了“動(dòng)力裝甲”這一科幻概念，可以看作機(jī)械骨骼的雛形。在詹姆斯·卡梅隆1986年導(dǎo)演的電影《異形2》中有一個(gè)場景，蕾普莉中尉借助一種稱為“動(dòng)力裝載機(jī)”的獨(dú)特裝置與怪物進(jìn)行殊死搏斗。這些科幻小說和電影給了軍事科技人員很大的啟發(fā)，研究人員希望能夠研制出真正大大提高單兵作戰(zhàn)能力的輔助技術(shù)裝備。

最早開始研究機(jī)械骨骼這項(xiàng)技術(shù)的主要是美國和日本。就用途來看，美國在機(jī)械骨骼上的發(fā)展是圍繞軍事用途展開的，日本則努力以商業(yè)用途開發(fā)機(jī)械骨骼，特別是幫助殘疾人和老年人進(jìn)行日?；顒?dòng)，如散步、爬樓梯、負(fù)載等。

1960年代

1960年，通用電氣公司研制出一種名為“哈迪曼”（Hardiman）的可穿戴單兵裝備，采用液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該公司第一個(gè)提出并開展增強(qiáng)人體機(jī)能的主動(dòng)助力型機(jī)械骨骼機(jī)器研究。“哈迪曼”能把穿戴者的力量放大25倍，不過限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，其機(jī)械骨骼體積巨大且笨重，安全性能低，也只能取代單只手功能。

1970年代

1978年，麻省理工學(xué)院研究了“增強(qiáng)人體機(jī)能的機(jī)械骨骼”，負(fù)重問題有所改善，但其驅(qū)動(dòng)能源與便攜式問題尚未解決，沒有完整的成果問世。

1990年代

1991年，日本神納川理工學(xué)院開發(fā)了一套獨(dú)立的可穿戴助力外套，稱為“動(dòng)力輔助服”，該產(chǎn)品使用肌肉壓力傳感器，分析佩戴者的運(yùn)動(dòng)情況，通過微型氣泵、便攜式鎳鎘電池及嵌入式微處理器，提供足夠的助力。該產(chǎn)品專為護(hù)士研制，可使人的力量增加近1倍。

實(shí)用探索——目標(biāo)挑戰(zhàn)

美國在機(jī)械骨骼實(shí)用探索方面的研究走在了世界前列，五角大樓認(rèn)為，未來單兵系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)機(jī)器人化。2000年，美國國防部制定了“增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼”項(xiàng)目的計(jì)劃，責(zé)成國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）負(fù)責(zé)，撥款7 500萬美元從事該項(xiàng)目的研究。該計(jì)劃旨在研制出一種可穿戴骨骼，幫助負(fù)重的士兵輕松行走，以提高部隊(duì)的機(jī)動(dòng)能力和戰(zhàn)斗能力。未來士兵裝備外骨骼后，將成為一名超級士兵，擁有巨大的力量，可攜載更多的武器裝備，火力威力得到增強(qiáng)，防護(hù)水平也得以提高，同時(shí)可克服任何障礙，高速前進(jìn)，還不會(huì)產(chǎn)生疲勞感。

研究目標(biāo)

DARPA外骨骼計(jì)劃的目標(biāo)是讓普通士兵變成可以跳過較高物體并能高速奔跑的超級士兵。該計(jì)劃現(xiàn)在仍處于研制階段，所以這些助力外骨骼的具體細(xì)節(jié)不是非常清晰。不過，DARPA已經(jīng)制定了實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)——

增強(qiáng)力量 士兵將能夠攜帶更多武器和軍需品。通過增強(qiáng)力量，士兵還將能夠在行軍時(shí)移走途中的大障礙物。它還將使士兵能夠穿上較重的身體護(hù)甲和其他防彈護(hù)具，極大提升防護(hù)能力。

提高速度 普通人走路的時(shí)速為6～10km，但是士兵通常還要在背包里攜帶重達(dá)約70kg的軍需品，背負(fù)如此多的重物，軍隊(duì)也難以很快行進(jìn)。測試表明，一種獨(dú)立開發(fā)的身體放大器/彈簧行走器的時(shí)速可超過16km。

跳得更高更遠(yuǎn) 現(xiàn)在還不清楚穿上機(jī)械套裝將能夠跳多遠(yuǎn)、跳多高，但是軍方希望這種機(jī)械裝置能夠幫助士兵跳過一般障礙物。

研究挑戰(zhàn)

DARPA不是第一個(gè)嘗試建造外骨骼機(jī)械套裝的組織。如前所述，通用電氣公司在1960年代便開發(fā)了稱為“哈迪曼”的液壓和電動(dòng)套裝。該套裝的問題是太過笨重（接近700kg），根本不實(shí)用。當(dāng)今天有了更先進(jìn)的材料，例如可用于建造更現(xiàn)代化的外骨骼的碳化纖維和其他材料，套裝的笨重問題應(yīng)該可以解決。然而，該項(xiàng)目依然存在很大挑戰(zhàn)。

若要使外骨骼發(fā)揮作用，必須綜合考慮5種因素：結(jié)構(gòu)、能量、控制、促動(dòng)和生物機(jī)械學(xué)。每種因素都有自己的一系列挑戰(zhàn)。下面是DARPA概括的一些挑戰(zhàn)——

構(gòu)造材料 外骨骼必須用堅(jiān)韌、輕質(zhì)且有彈性的復(fù)合材料制成。這類材料自身還必須能夠抵御敵方火力，以保護(hù)穿用者。

能量源 補(bǔ)給能量之前，外骨骼具有的能量必須足以支持24小時(shí)。此外，產(chǎn)生能量的裝置必須便于背挎。

控制 機(jī)械骨骼的控制必須是無縫的。使用者穿上后必須能夠正?；顒?dòng)。

促動(dòng) 設(shè)計(jì)者必須使機(jī)械骨骼能夠順暢移動(dòng)，以便穿用者不會(huì)太笨拙。與發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，促動(dòng)器也必須安靜而高效。

生物機(jī)械學(xué) 外骨骼必須能夠左右和前后移動(dòng)，就像人在戰(zhàn)場中那樣行進(jìn)。如果它沒有這種能力，則穿用這種裝置的士兵就可能處于極其危險(xiǎn)的境地。機(jī)械骨骼的結(jié)構(gòu)必須像人體一樣帶有可彎曲的關(guān)節(jié)。

軍用外骨骼將是人類研制的最復(fù)雜的機(jī)器之一，它還能促進(jìn)機(jī)器人的開發(fā)，令機(jī)器人更像人類。外骨骼必須能夠感應(yīng)人體活動(dòng)并對其做出反應(yīng)。它們還必須能夠?qū)碜阅芰吭吹哪芰哭D(zhuǎn)換為可用的促動(dòng)能量，以輔助穿用者開展活動(dòng)。

擺在開發(fā)者面前的挑戰(zhàn)是巨大的，為了開發(fā)出這種外骨骼，新的設(shè)備和發(fā)明也將不斷涌現(xiàn)。

研究發(fā)展

在美國“增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼”計(jì)劃的可穿戴助力外骨骼研制方面，單個(gè)可穿戴助力外骨骼組件的研究已取得快速進(jìn)展。從事可穿戴助力外骨骼研制項(xiàng)目的單位主要有加利福尼亞大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程試驗(yàn)室、薩克斯（SARCOS）公司、美國橡樹嶺國家試驗(yàn)室、鹽湖城人體機(jī)能研究所和“千年噴氣機(jī)”公司等。

美國外骨骼發(fā)展主要有兩條技術(shù)路線，其一是第一代伯克利（BLEEX）下肢末端外骨骼——第二代BLEEX即ExoHiker和Exoclimber——第三代HULC。隨后在2009年，HULC項(xiàng)目被美國洛克希德·馬丁公司收購，進(jìn)行了多次試驗(yàn)和改進(jìn)；另一條路線是雷神公司的Sarcos XOS外骨骼——Sarcos XOS 2外骨骼。

伯克利下肢末端外骨骼（BLEEX）

伯克利大學(xué)機(jī)器人和人體工程試驗(yàn)室負(fù)責(zé)的美軍“伯克利下肢末端外骨骼”項(xiàng)目已經(jīng)成熟。這套裝置由背包式外架、金屬腿及相應(yīng)動(dòng)力設(shè)備組成，使用背包中的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和箱式微型傳感儀作為液壓泵的能量來源，其每條腿有7個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈曲/伸展由液壓驅(qū)動(dòng)。第二代BLEEX在零部件微型化方面很有成效，所有電子線路和許多機(jī)械部件都容納在金屬管內(nèi)，其兩個(gè)型號(hào)的參數(shù)差別較大，這是由于其應(yīng)用目的、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式不同造成的。其中，ExoHiker的髖關(guān)節(jié)采用的是氣彈簧被動(dòng)助力，主要用于長距離負(fù)重行走任務(wù)； 而Exoclimber是在ExoHiker基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了髖關(guān)節(jié)液壓缸主動(dòng)助力，用于長距離負(fù)重上下樓梯、上下坡。

“人體負(fù)重外骨骼”（簡稱HULC）屬于第三代BLEEX，系統(tǒng)自身質(zhì)量為24kg（不含電池），最大負(fù)重可以達(dá)到91kg，搭載兩塊總質(zhì)量3.6kg的鋰聚合電池（后續(xù)準(zhǔn)備研發(fā)燃料電池供電系統(tǒng)，工作時(shí)間增加到72h） ，可保證穿戴者以4.8km/h的速度持續(xù)行進(jìn)2小時(shí)；在無負(fù)載的情況下，沖刺速度可達(dá)16km/h。HULC身體上半部分的承載部位可以按照需求進(jìn)行配置。目前選項(xiàng)有抓起炮彈的抓鉤、抓起重型槍械的特制吊鉤等，也可以根據(jù)軍方的要求專門設(shè)計(jì)承載裝置。HULC的高度可以調(diào)節(jié)，使身高1.6～1.85m的士兵都可以穿戴，而且非常方便。穿戴時(shí)，士兵只需將腿伸進(jìn)靴子下方的足床，而后用皮帶綁住腿部、腰部以及肩部即可。脫下“金屬骨骼”也很容易，只需30秒。

HULC充分采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，即機(jī)械腿和背部的托盤可以分開，如果不需要背負(fù)重物，則可以將托盤取下，以進(jìn)一步減輕重量。

雷神公司Sarcos XOS

美國國防部高級研究計(jì)劃局提供了1 000萬美元的軍事研究預(yù)算，雷神公司經(jīng)過7年秘密研發(fā)出來的XOS可穿戴助力外骨骼是目前最為先進(jìn)的全身式外骨骼，代表了機(jī)械外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。

XOS自身質(zhì)量68kg，配備較多的傳感器，如角辨向器、肌電傳感器、地面?zhèn)鞲衅鞯龋袆?dòng)力驅(qū)動(dòng)、測量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)力供應(yīng)設(shè)備都裝在背包中，電池掛在腰部，是一個(gè)可佩戴的混合控制系統(tǒng)，根據(jù)生理反饋和前饋原理研制的動(dòng)力輔助控制器可以調(diào)整人的姿態(tài)，使其感到舒適。穿戴外骨骼系統(tǒng)的使用者靠感應(yīng)器和電子集成板隨心所欲地控制這些機(jī)器，驅(qū)動(dòng)方式為液壓+纜線拉動(dòng)，它可以毫不延遲地反應(yīng)身體的動(dòng)作，輸出強(qiáng)大的力量，用負(fù)重9kg的力量舉起90kg的重物，并且能連續(xù)舉50～500次。XOS證明了機(jī)械骨骼能像人體一樣自由地運(yùn)動(dòng)。但XOS有一個(gè)重大缺陷，自帶的電池只能使用40分鐘，需要拖著一條電線隨時(shí)充電。

2010年，雷神公司收購了SARCOS公司之后，推出升級版XOS 2。XOS 2在結(jié)構(gòu)上是全身式助力外骨骼，采用液壓+纜線的驅(qū)動(dòng)方式。相比它的前一代，XOS 2在樣機(jī)工程化上有很大進(jìn)步，質(zhì)量更小、速度更快，奔跑時(shí)速為4.8km/h，耗電量降低了50%。借助于XOS 2，穿戴者可輕松將90kg重的重物舉起幾百次而不會(huì)感到疲勞，此外還可重復(fù)擊穿7.6cm厚的木板。目前，XOS 2主要有兩種型號(hào)：一種是戰(zhàn)斗型，增加了雙臂助力，只包括外骨骼的腿部和腰部附件，與HULC類似；另一種是后勤型，具備完整的身形。雖然目前美軍的外骨骼裝備研制主要針對后勤用途，但是考慮到其潛在的能力巨大，不排除其在將來成為單兵武器平臺(tái)的可能性。

雷神公司已經(jīng)在設(shè)計(jì)第三代XOS 3動(dòng)力盔甲系統(tǒng)，盔甲由模塊化鋁合金和復(fù)合材料制成，液壓管路統(tǒng)統(tǒng)遮蔽在內(nèi)部，從而大大提高人員和系統(tǒng)的生存力。

發(fā)展路徑——軟硬之爭

近年來，美國、法國等國陸續(xù)啟動(dòng)了多個(gè)軍用外骨骼項(xiàng)目，以增強(qiáng)士兵的作戰(zhàn)能力，同時(shí)緩解士兵運(yùn)動(dòng)疲勞。美軍在提升單兵負(fù)重、機(jī)動(dòng)等能力方面技術(shù)領(lǐng)先、成果顯著。在之前研究的基礎(chǔ)之上，已先后推出Fortis外骨骼、戰(zhàn)術(shù)突擊輕甲（TALOS）外骨骼、勇士織衣等多款產(chǎn)品，法國也致力于研制其第四代“大力神”外骨骼。同時(shí)，以色列、韓國、俄羅斯、英國、法國、意大利、荷蘭以及澳大利亞等國也都有相應(yīng)的軍用產(chǎn)品問世，部分國家已形成原理樣機(jī)并開展了部隊(duì)試用與試驗(yàn)。

隨著外骨骼研究的深入發(fā)展，其逐步形成了兩種發(fā)展路徑——?jiǎng)傂酝夤趋篮腿嵝酝夤趋?。剛性外骨骼主要是模仿人體骨骼，借助機(jī)械的力量大幅提升士兵負(fù)重能力；柔性外骨骼通過模擬人體肌肉作用原理，讓人與外骨骼交互協(xié)同，而其輔助動(dòng)力有限，其作用是在一定程度上緩解士兵的運(yùn)動(dòng)疲勞，降低損傷概率。總之，無論剛性外骨骼還是柔性外骨骼，其最終目標(biāo)都是用于提升人體力量與速度。

剛性外骨骼

剛性外骨骼的設(shè)計(jì)理念來自對人體骨骼的仿生，采用剛性連接桿與肢體并聯(lián)，對關(guān)節(jié)施加力矩，目的是代替人的骨骼和關(guān)節(jié)來跑跳和負(fù)重。目前最具代表性的產(chǎn)品是美特戰(zhàn)司令部與國防高級研究計(jì)劃局合作的“戰(zhàn)術(shù)突擊輕甲”（TALOS），其具有以下特點(diǎn)：一是融合了傳感、控制、信息耦合、移動(dòng)計(jì)算等綜合技術(shù)，主要通過液壓驅(qū)動(dòng)仿生外骨骼模擬人體動(dòng)作，在穿戴時(shí)能智能分配重量，減輕負(fù)重對身體的影響。二是采用低成本工藝技術(shù)。目前研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用3D打印技術(shù)造出了多達(dá)800個(gè)碳纖維外骨骼組件，降低了TALOS的研發(fā)成本，三是應(yīng)用輕量化材料。TALOS外骨骼采用鈦合金材料制成，質(zhì)量更輕，強(qiáng)度更高。四是防護(hù)能力高。TALOS所使用的26片外骨骼裝甲主要提供胸、背以及頭部的防彈能力。未來TALOS將現(xiàn)有的18%防護(hù)面積提升到60%，對士兵的防護(hù)效能提升到更高的層次。

柔性外骨骼

柔性外骨骼類似于智能作戰(zhàn)服，無論感知還是執(zhí)行機(jī)構(gòu)都充分考慮人體的柔性特征，通過感知生理信號(hào)預(yù)判人體動(dòng)作。由美國國防高級研究計(jì)劃局投資研制的“勇士織衣”是這類產(chǎn)品的典型代表。目前，在美國國防高級研究計(jì)劃局支持下，哈佛大學(xué)懷斯（Wyss）生物工程研究所、SRI國際公司分別推出了各自的“勇士織衣”樣服，即“超柔”（SuperFlex）外骨骼和“柔性外骨骼服”（Soft Exosuit），兩種“勇士織衣”具有以下特點(diǎn)：一是集成創(chuàng)新性強(qiáng)。SRI公司的“超柔”外骨骼，集成了柔性支架（Flex Grip）、柔性驅(qū)動(dòng)（Flex Drive）、柔性控制（Flex Control）系統(tǒng)以及e-Flex電控系統(tǒng)等新系統(tǒng)，其中，e-Flex電控系統(tǒng)是一種剛度可變的輕型電控彈簧，能夠存儲(chǔ)能量，并限制運(yùn)動(dòng)范圍，避免人體損傷或疲勞。二是應(yīng)用能源調(diào)節(jié)技術(shù)。傳感器可預(yù)知穿戴者的運(yùn)動(dòng)，能在精確的時(shí)間內(nèi)根據(jù)需求啟動(dòng)外骨骼，與始終需要啟動(dòng)或驅(qū)動(dòng)的外骨骼相比，電池使用壽命更久。三是采用全柔性結(jié)構(gòu)技術(shù)。哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所研制的“柔性外骨骼服”（Soft Exosuit）采用大量織帶，可以包裹穿戴者的腰部和腿部，具有通過提升生物肌肉潛力改善步態(tài)的作用。四是能耗大幅降低。經(jīng)過5年的設(shè)計(jì)與測試，目前已完成了15套“勇士織衣”樣衣的試驗(yàn)室與室外測試，取得了減少10%體能消耗的重大成果，下一步目標(biāo)為減少25%的體能消耗。