人人都可以是超人——單兵外骨骼

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所屬分類:娛樂
摘 要

出品:科普中國作者:鴻爪雪梨

出品:科普中國

作者:鴻爪雪梨

策劃:武玥彤

監制:光亮網科普事業部

在好萊塢科幻電影中,我們常看到特種作戰計程車兵的腰部、腿部等部位裝配有金屬框架類的配件,戴上這種裝備計程車兵個個力大無窮,健步如飛且還能飛簷走壁。這種形似骨架的,能增強人類能力的可穿戴機電裝備就是我們常聽說的「外骨骼」。

人人都可以是超人——單兵外骨骼

圖1 科幻電影《流浪地球》中的全身外骨骼(圖片來源於網路)

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

和許多其他的民用先進技術一樣,外骨骼技術的發展最開始也是由軍方提出需求而引導的。60年代前後,美國軍方啟動了增強型軍用裝甲項目,康奈爾大學、奇異公司公司等的研究者也同步開始了人體增強的概念研究。之後數年內,曾出現第一款名為哈迪曼(Hardiman)的單兵可穿戴裝備,哈迪曼擁有28個關節和兩個抓取臂,由龐雜的液壓和電子系統驅動。實驗中曾成功舉起過1500磅的重物。但限於當時的技術條件,哈迪曼自重幾乎等同於其舉重量,且穩定性不佳,能量不足,這款外骨骼的先行者未能推廣。

人人都可以是超人——單兵外骨骼

圖2 哈迪曼(Hardiman)單兵可穿戴裝備(圖片來源於網路)

但對外骨骼的技術研究一直在穩步推進。步入21世紀,美國國防部高級研究計劃局(DAPRA)啟動了「增強人體機能的外骨骼」(EHPA)項目,並設置了約5000萬美元的經費支持。加州大學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)樣機的試驗測試。BLEEX外骨骼是一種下肢外骨骼機器人,擁有兩個擬人腿,單腿有7個自由度,整體質量約為45kg,穿戴者身著此裝備,即使在負重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,可以實時獲得人體的運動資訊,並基於最小化人體交互作用設計控制策略,通過液壓驅動關節運動,最大限度的貼合人體運動規律。

BLEEX一代奠定了外骨骼技術的發展思路,在此基礎上,軍用外骨骼加速發展,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、匍匐等戰術動作,且最大負載提高至90kg,最大爆發速度可提升至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到穿著者的動作幅度和力度,電腦通過計算後實時控制相應的液壓動作器輸出合適的幅度和力度。據2020年1月的最新消息,最新版本「guardian XO」即將交付用戶,續航時間長達8小時,可輔助舉起90kg的重物。

人人都可以是超人——單兵外骨骼

圖3 guardian XO的操作者輕松舉起一枚90kg的導彈(圖片來源於網路)

除了美國,其他國家也在加緊研發軍用外骨骼裝置。例如德國在研發一種可穿戴式的動力滑翔系統——獅鷲翼裝( gryphon wingsuit) 。俄羅斯莫斯科國立大學在俄國防部支持下,也在開展旨在減輕軍人體力負荷的外骨骼機器人的研究,主要研究內容是加強裝置的腿部及腰部等負荷能力,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,軍用外骨骼技術發展多年,發展路線和關鍵技術已經基本明確。未來發展趨勢主要集中在減輕自重、延長續航、提高輔助載重、防彈、提高智能程度等方面。其中難度最大的當屬延長續航,外骨骼裝置的初衷是為士兵小隊或獨立作戰提供支持,但現有的4-5小時的續航時間是不夠使用的,尤其是在滿負重和快速移動的情況下,實際時間可能不到3小時,在儲能技術未得到突破之前,續航將一直是外骨骼和其他各行業的最大痛點。

與此同時,外骨骼技術在民品領域的發展更為迅速,可輔助負重的外骨骼對於工廠企業意義重大,如FORTIS工業用外骨骼可為工人提供能夠將重力分散向地面的必要支撐,還設置有放置工具的懸臂,能大幅度提高工作效率。而外骨骼技術在醫療、勞力保護等方面也有應用,如日本Cyberdyne公司開發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器人傳達指令,從而幫助人行走、負重。美國Parker Hannifin公司生產的Indego型外骨骼設備已於2016年獲得FDA批準,以幫助下肢受傷的患者預後恢復。

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圖4 FORTIS工業用外骨骼(圖片來源於網路)

軍事小百科:在機電小型化、傳感器技術、控制算法、生物機械學等技術取得長足進步的基礎上,外骨骼技術在近20年內蓬勃發展。外骨骼設備通過采集人體機電信號能在極短時間內準確反饋到驅動機構,從而跟隨人體做出一致的輔助動作。外骨骼技術越來越多的用於民品領域,對體力勞力者、老年人、行動不便者均有重大意義。

[責任編輯: 蔡琳 ]

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