如何打造一件鋼鐵戰(zhàn)衣

顏慧

看過(guò)好萊塢電影《鋼鐵俠》的觀眾一定對(duì)鋼鐵俠的金屬動(dòng)力服印象深刻。鋼鐵俠戰(zhàn)衣的動(dòng)力核心是胸口的鈀核心微電弧反應(yīng)堆。這種反應(yīng)堆不但能夠驅(qū)動(dòng)動(dòng)力服在地面行動(dòng)，而且可以驅(qū)動(dòng)鋼鐵俠腳底下的離子發(fā)動(dòng)機(jī)讓其上天入海，甚至在手中凝聚成離子炮進(jìn)行攻擊。按照電影中的情節(jié)估算，鋼鐵俠動(dòng)力服的反應(yīng)堆每秒能產(chǎn)生大約30億焦耳的能量，堪稱發(fā)動(dòng)機(jī)中的神器。在現(xiàn)實(shí)世界中，與之類(lèi)似的單兵外骨骼技術(shù)已經(jīng)在21世紀(jì)初取得了關(guān)鍵性突破，其實(shí)際應(yīng)用前景也已受到多方的關(guān)注。

外骨骼是什么

外骨骼，全稱動(dòng)力外骨骼或動(dòng)力服，由骨骼模樣的框架組成，是可以讓人穿上的機(jī)器。這個(gè)裝備通過(guò)外置發(fā)動(dòng)機(jī)、電池或者液壓系統(tǒng)為人體提供額外能量供四肢運(yùn)動(dòng)，以增強(qiáng)穿戴者的力量和耐久力。

最早的外骨骼可以追溯到19世紀(jì)末。1890年，一位名為尼古拉斯·亞根的俄羅斯人發(fā)明了一種用壓縮空氣包作為動(dòng)力的類(lèi)外骨骼系統(tǒng)。1917年，美國(guó)發(fā)明家則開(kāi)發(fā)了一種以蒸汽為動(dòng)力的外骨骼。

但真正意義上的外骨骼動(dòng)力服是1960年通用電氣公司與美國(guó)軍隊(duì)共同開(kāi)發(fā)的，當(dāng)時(shí)命名為“哈迪曼”。通過(guò)液壓和電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，配合力覺(jué)反饋感應(yīng)系統(tǒng)，穿戴者穿著這套裝備舉起150千克的物體就像舉起6千克的物體一樣輕松。這一切看似完美，但整機(jī)重達(dá)680千克的裝備根本無(wú)法讓穿戴者自如行走，而且系統(tǒng)反應(yīng)速度極慢，穿上它每秒只能走76厘米，只有平常人正常步速的一半，最終被改裝成機(jī)械臂。

在經(jīng)歷了20世紀(jì)60年代的笨重之后，外骨骼在1986年后進(jìn)入快速發(fā)展階段。當(dāng)時(shí)，一位名叫蒙蒂·里德的美國(guó)人設(shè)計(jì)了一種叫“生命服”的外骨骼系統(tǒng)。蒙蒂曾是美國(guó)陸軍游騎兵特種部隊(duì)的士兵，但他在跳傘訓(xùn)練中背部受傷。蒙蒂在醫(yī)院恢復(fù)過(guò)程中，從著名的科幻小說(shuō)《星河戰(zhàn)隊(duì)》中“機(jī)動(dòng)士兵動(dòng)力服”的概念獲得靈感，隨后開(kāi)發(fā)出了這一系統(tǒng)。 2001年，“生命服”1號(hào)誕生。2005年，“生命服”12號(hào)創(chuàng)造了外骨骼步行的世界紀(jì)錄—90分鐘走完5.4千米，和正常人步行速度基本一致?，F(xiàn)在，“生命服”已經(jīng)發(fā)展到14號(hào)，一次充電能夠走1.6千米、搬運(yùn)92千克物品。

目前，世界上各種生產(chǎn)或正在研制的外骨骼型號(hào)有15個(gè)以上。除了美國(guó)以外，日本、韓國(guó)、歐洲也有很多企業(yè)和大學(xué)投入到外骨骼系統(tǒng)的研制。尤其是人口老齡化和低生育率問(wèn)題異常嚴(yán)重的日本，對(duì)外骨骼技術(shù)有著異乎尋常的興趣。日本佐川電子在2013年7月曾推出世界上第一臺(tái)商用化外骨骼動(dòng)力服，價(jià)格約合90萬(wàn)人民幣，全球限量5臺(tái)。

世界各國(guó)的超級(jí)鋼鐵俠外衣

一般的單兵外骨骼系統(tǒng)包含六大部件：仿形機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置、智能感應(yīng)裝置、控制系統(tǒng)、通信計(jì)算系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和能源系統(tǒng)。工作原理一般是：系統(tǒng)通過(guò)在人體和外骨骼上的傳感器感應(yīng)人的運(yùn)動(dòng)信息、力學(xué)信息和生理信息。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)處理各類(lèi)信息，并通過(guò)預(yù)測(cè)和感知算法感知人體姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和人與外骨骼之間的耦合度，控制系統(tǒng)將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為控制參數(shù)，令能源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)輔助作用。

世界各國(guó)研發(fā)單兵外骨骼系統(tǒng)的根本目的就是提升單兵的戰(zhàn)斗力。一是增強(qiáng)打擊能力。士兵能攜帶更多、火力更大的武器裝備，可以大幅提高單兵打擊能力。由于大部分人能夠拿起和攜帶的重量有限，過(guò)重的單兵裝備會(huì)把士兵壓垮，因此，借助外骨骼系統(tǒng)，士兵可以攜帶更多的裝備和給養(yǎng)，進(jìn)而提高士兵的戰(zhàn)斗力。二是提高防護(hù)能力。由于外骨骼系統(tǒng)的承載能力遠(yuǎn)超人體，可以在其上加裝適合單兵的復(fù)合材料裝甲，將單兵防護(hù)提高到一個(gè)新的水平。三是提高機(jī)動(dòng)能力。普通人走路的時(shí)速為6～10千米，但是士兵通常要攜帶很重的軍需品，很難快速行進(jìn)。外骨骼系統(tǒng)前后皆可負(fù)重，且可以提高士兵在水平地面的行進(jìn)速度并持續(xù)最大速度，這將大大提高單兵的機(jī)動(dòng)能力。四是提高戰(zhàn)場(chǎng)感知能力。外骨骼系統(tǒng)可以加裝傳感器系統(tǒng)，以加強(qiáng)士兵的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力；還可以加裝衛(wèi)星通信和定位裝置，讓每個(gè)士兵都成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)，指揮部可以清楚知道每個(gè)士兵目前所在的位置。

美國(guó)的“人體負(fù)重外骨骼”（HULC）是典型的單兵外骨骼系統(tǒng)。該項(xiàng)目由洛克希德·馬丁公司（以下稱洛馬公司）研制，它是一種模仿人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的外骨骼裝置，采用電池供電和液壓驅(qū)動(dòng)，利用單一電池充電器便能夠使穿戴者背負(fù)約91千克的重物在全地形條件下步行20千米。穿戴人體負(fù)重外骨骼后，士兵能夠完成爬行、深蹲、行走和上半身提舉重物等一系列動(dòng)作。人體負(fù)重外骨骼配有先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)，以便與士兵的動(dòng)作保持一致。人體負(fù)重外骨骼既可提高士兵的持久作戰(zhàn)能力，又可降低士兵受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

美國(guó)士兵經(jīng)常負(fù)載過(guò)重的戰(zhàn)斗載荷，這就增加了對(duì)身體的壓力，容易導(dǎo)致精疲力竭。HULC可以把這種重量通過(guò)電池驅(qū)動(dòng)的鈦金屬肢體轉(zhuǎn)移到地面上。先進(jìn)的便攜式微型計(jì)算機(jī)可以使得這種外骨骼與士兵們的運(yùn)動(dòng)保持協(xié)調(diào)一致。HULC的這種完全非捆綁式、液壓驅(qū)動(dòng)的人形外骨骼使得士兵們的行動(dòng)坐臥毫不費(fèi)力。

此外，洛馬公司還研制了FORTIS膝減壓裝置，這是一個(gè)剛性支撐架，不需要電力，甚至可以幫助工廠和船廠工人搬運(yùn)笨重的工具，減少其疲勞感。穿戴者可以自由活動(dòng)，只需經(jīng)過(guò)15分鐘的培訓(xùn)就可以掌握使用技巧，有的甚至不用培訓(xùn)直接就能使用。在測(cè)試中，穿戴者負(fù)重可達(dá)84千克，完成蹲起次數(shù)平均超過(guò)50次。前海軍項(xiàng)目承包商、洛馬公司產(chǎn)品經(jīng)理基思·麥斯威爾說(shuō)：“它真的可以推你上樓梯，讓你爬得更快，感覺(jué)不那么累?！丙溗雇柗Q，在15度的斜坡上，該裝置也能降低人類(lèi)的能量消耗，“凈代謝成本”只有約9%。

法國(guó)的“大力神”也是一種先進(jìn)的可穿戴式外骨骼系統(tǒng)。該系統(tǒng)由法國(guó)武器裝備總署制定，法國(guó)多家公司目前正在研制這種能夠幫助穿戴者運(yùn)送較重載荷的外骨骼。“大力神”外骨骼主要由機(jī)械腿（結(jié)合機(jī)械裝置、計(jì)算機(jī)和電子裝置）和背部支撐架組成，使穿戴者能夠輕松背負(fù)重物。該外骨骼不久后還將配裝機(jī)械臂，以使穿戴者能夠搬運(yùn)重物。

“大力神”外骨骼的獨(dú)特之處在于不采用無(wú)線電控制，能夠自動(dòng)探測(cè)到肢體運(yùn)動(dòng)，隨后根據(jù)執(zhí)行意圖代替穿戴者執(zhí)行這一動(dòng)作?！按罅ι瘛蓖夤趋肋€具備出色的性能和密實(shí)度。它可攜帶100千克重物，其電池可使穿戴者以4千米/小時(shí)的速度行進(jìn)大約20千米。其應(yīng)用范圍十分廣泛，包括幫助消防隊(duì)員、特種部隊(duì)和步兵將重物運(yùn)送至目的地、在醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)闅埣不颊咛峁椭?、在建筑和后勤領(lǐng)域用于運(yùn)送重物等。

俄羅斯的單兵外骨骼裝備研發(fā)也不甘于人后。最新裝備名為“21-戰(zhàn)士”，重量為22千克。目前，俄軍士兵配備的單兵裝備為36千克，極大超過(guò)士兵身體負(fù)重標(biāo)準(zhǔn)。第二代俄軍裝備將整合攻擊、防御、操控、生存和能源補(bǔ)給等功能。“21-戰(zhàn)士”項(xiàng)目預(yù)計(jì)花費(fèi)3500萬(wàn)美元，而美國(guó)的同類(lèi)項(xiàng)目將投入15億美元。此外，由莫斯科國(guó)立大學(xué)研究的旨在減輕軍人體力負(fù)荷的機(jī)械結(jié)構(gòu)外部骨骼近期在俄羅斯國(guó)防部的評(píng)估中獲得了好評(píng)。目前，俄羅斯的外骨骼主要還是加強(qiáng)了腿部及腰部等負(fù)荷能力，雙手的靈活性得到了保留并配置了防彈罩。從最終效果圖看，兩臂力量的加強(qiáng)是今后研制的重點(diǎn)。

研制難點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

電影中的鋼鐵俠戰(zhàn)衣被評(píng)論為“機(jī)械設(shè)計(jì)水平變態(tài)、材料變態(tài)、控制系統(tǒng)變態(tài)、能量更是變態(tài)”。這幾個(gè)方面，恰恰也是外骨骼系統(tǒng)研制面臨的主要難點(diǎn)。

首先是制作材料。早期的外骨骼是用鋼和鋁金屬制作的，但系統(tǒng)自重過(guò)大，使外骨骼的動(dòng)力在驅(qū)動(dòng)人體之外還要克服自重。因此現(xiàn)在的研制者都在想辦法降低自重，多使用復(fù)合材料、鈦合金等輕質(zhì)材料以使能量效率更高。

其次是動(dòng)作裝置。正是這一部分讓士兵獲得更大力量。以前，液壓動(dòng)力筒因其動(dòng)力輸出較大、動(dòng)作執(zhí)行準(zhǔn)確獲得青睞，但缺點(diǎn)是重量過(guò)大，而且液壓裝置有可能泄漏?，F(xiàn)在“動(dòng)作裝置”研發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向小型或微型的永磁伺服馬達(dá)。這種伺服馬達(dá)能夠組裝成微小的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)大力矩和高響應(yīng)度的運(yùn)動(dòng)。

第三是關(guān)節(jié)的靈活度。這涉及到外骨骼能否完成更多的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，例如匍匐、跳躍等。這些動(dòng)作對(duì)于人體關(guān)節(jié)來(lái)說(shuō)輕而易舉，但對(duì)于模仿人體關(guān)節(jié)的外骨骼來(lái)說(shuō)，難度就較大了。尤其是人體肩關(guān)節(jié)、胯關(guān)節(jié)、脊柱等部位，都是外骨骼模仿的難點(diǎn)。目前主流的外骨骼都是沿著人體的肩部、胯部和膝蓋，設(shè)置外部球形接頭，然后通過(guò)平行的連接桿實(shí)現(xiàn)連接。但在運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些外部的人造關(guān)節(jié)和連接桿往往與人體的貼合度發(fā)生錯(cuò)位。這樣的外骨骼系統(tǒng)雖然不干擾步行，但對(duì)使用者的彎腰仍有較大影響。

第四是控制系統(tǒng)。良好的外骨骼系統(tǒng)應(yīng)該有一套精密的計(jì)算機(jī)人工智能控制系統(tǒng)，以控制外骨骼對(duì)人體的動(dòng)作進(jìn)行響應(yīng)。如果響應(yīng)速度過(guò)慢，動(dòng)作效率低；響應(yīng)速度過(guò)快，則有可能給使用者帶來(lái)傷害。由于人體不同關(guān)節(jié)動(dòng)作速度有快有慢，因此外骨骼控制系統(tǒng)也必須能協(xié)調(diào)速度，讓使用者感到外骨骼是一種助力而不是阻力。先進(jìn)的控制系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)并阻止使用者的錯(cuò)誤動(dòng)作，例如摔倒，這對(duì)于本身行動(dòng)不便的傷殘人士很重要。

最后是電源動(dòng)力。像鋼鐵俠那樣擁有無(wú)所不能的反應(yīng)堆，僅是電影中的幻想，現(xiàn)有動(dòng)力輸出較強(qiáng)的內(nèi)燃機(jī)由于噪聲、隔熱等問(wèn)題無(wú)法應(yīng)用。因此，現(xiàn)在主流外骨骼系統(tǒng)均使用電池來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。高容量的燃料電池是目前研究的重點(diǎn)，但也只能勉強(qiáng)滿足需要。有些專(zhuān)家則設(shè)想，未來(lái)可以對(duì)外骨骼使用無(wú)線電能傳輸。

當(dāng)前，動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)作為單兵裝備領(lǐng)域的新發(fā)展點(diǎn)，得到了各軍事大國(guó)的普遍重視。雖然軍方不能期待單兵外骨骼能讓士兵成為鋼鐵俠，但一個(gè)“士兵背負(fù)上百千克裝備、在高原山間健步如飛”的場(chǎng)景有著十足的吸引力。不過(guò)，想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有不少困難。以美軍為例，在研制出幾種單兵外骨骼系統(tǒng)后，還沒(méi)有一種在戰(zhàn)場(chǎng)上投入測(cè)試。因此，就目前技術(shù)發(fā)展看，單兵外骨骼系統(tǒng)很可能優(yōu)先應(yīng)用在非戰(zhàn)斗領(lǐng)域，例如后勤運(yùn)輸、場(chǎng)站維護(hù)、裝備修理等需要士兵進(jìn)行大體力搬運(yùn)的場(chǎng)合，以緩解士兵們的工作強(qiáng)度。