進(jìn)化！動(dòng)力外骨骼打造“大力士”

馬點(diǎn)秋

無論是電影《流浪地球》中的單兵加特林動(dòng)力裝甲，還是游戲《孤島危機(jī)》中的生化納米服，人類從未放棄過對(duì)由動(dòng)力外骨骼驅(qū)動(dòng)的“超級(jí)士兵”這一概念的探索，并為其披上了一層科幻的外衣。

電影《明日邊緣》中的動(dòng)力裝甲

顧名思義，動(dòng)力外骨骼是一套由外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的人體增強(qiáng)系統(tǒng)，附著在人體外部。通過植入大腦或緊貼皮膚的傳感器，它可以感知人類在進(jìn)行動(dòng)作前的生物電流變化，由此來提前判斷穿戴者的動(dòng)作意圖，并驅(qū)動(dòng)響應(yīng)極快的伺服電機(jī)，將這些動(dòng)作“復(fù)制”到驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)上，使穿戴者變?yōu)闊o所不能的超級(jí)士兵。

動(dòng)力外骨骼的演化史

“外骨骼”并非由人類率先擁有，其普遍存在于蝦、蟹、昆蟲等生物，一般是指能夠?qū)ι锶彳泝?nèi)部器官進(jìn)行構(gòu)型和保護(hù)的堅(jiān)硬外部結(jié)構(gòu)。從進(jìn)化學(xué)上來看，現(xiàn)代脊椎生物的祖先古代魚類中，內(nèi)、外骨骼是涇渭分明的，甚至現(xiàn)代人類的頭骨和肩胛骨也是從遠(yuǎn)古脊椎動(dòng)物的外骨骼演化而來。

在漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程中，脊椎動(dòng)物慢慢褪去了不利于活動(dòng)的外層骨骼，進(jìn)化成了如今的模樣。然而隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)這種古老的生理結(jié)構(gòu)重新燃起了熱情。

追本溯源，動(dòng)力外骨骼這一概念的產(chǎn)生，可以回溯到19世紀(jì)英國插畫師Robert Seymour所繪制的一幅插畫《Walking By Steam》。該畫展示了由蒸汽驅(qū)動(dòng)的汽車、飛機(jī)，以及一臺(tái)巨大的行走機(jī)器，大概可以看作是動(dòng)力外骨骼這一概念的雛形。

時(shí)間來到了1965年。冷戰(zhàn)陰影下，許多只存在于科幻小說中的裝備被帶進(jìn)現(xiàn)實(shí)，動(dòng)力外骨骼也不例外。由美國軍方和通用公司共同研發(fā)的電機(jī)液壓混合驅(qū)動(dòng)的Hardiman裝置，成為人類所制造出的第一臺(tái)真正意義上的動(dòng)力外骨骼。

1 9 世紀(jì)插畫《Walking BySteam》

然而以現(xiàn)在的技術(shù)眼光來看，它更像是一臺(tái)小型工程機(jī)械，因其并不具備高精度的動(dòng)作傳感器來復(fù)制人類的動(dòng)作。雖然手臂部分的力反饋傳感器可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單抓握，但其腿部部分僅僅可以像機(jī)器人般以固定的節(jié)奏載人前行。

Hardiman研發(fā)過程中遇到的諸多問題，暫時(shí)消減了人類對(duì)動(dòng)力外骨骼的研發(fā)熱情。進(jìn)入了21世紀(jì)，同樣由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署（簡(jiǎn)稱DARPA）資助，由雷神公司主導(dǎo)研發(fā)的大名鼎鼎的XOS–2動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)，顯然與科幻作品中的外骨骼裝甲更為貼近。于2010年發(fā)布的XOS–2動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)可以讓士兵輕松舉起90千克的重物，并可以完成爬坡、踢球等較為靈活的動(dòng)作。

/ 動(dòng)力來源始終是動(dòng)力外骨骼裝備發(fā)展路上最令人頭疼的問題。 /

XOS–2獲得了2010年《時(shí)代》雜志“最具震懾力”發(fā)明獎(jiǎng)項(xiàng)。與XOS–2類似的軍用領(lǐng)域動(dòng)力外骨骼，還包括由洛克希德·馬丁公司主導(dǎo)研發(fā)的、具備動(dòng)能回收系統(tǒng)的HULC系統(tǒng)。

HULC源自加州大學(xué)伯克利分校于2000年研制的BLEEX下肢外骨骼系統(tǒng)，設(shè)計(jì)重心在于腰間與腿部的支撐結(jié)構(gòu)。HULC在BLEEX的基礎(chǔ)上采用了更輕、強(qiáng)度更高的鈦金屬材料，融入模塊化設(shè)計(jì)理念，并增加了動(dòng)能回收系統(tǒng)，利用人行走時(shí)換腳產(chǎn)生的動(dòng)能，為裝置回收一部分能量。

然而即便如此，HULC也只能保證穿戴者以4.8公里每小時(shí)的速度，背負(fù)90千克重物持續(xù)行進(jìn)一個(gè)小時(shí)。這一情況在HULC的繼任者、同樣由洛克希德·馬丁公司研制的ONYX系統(tǒng)中有所改善。其可以根據(jù)穿戴者所處的地形狀況和背負(fù)的載荷自動(dòng)調(diào)整功率。在配備了5.4千克的電池組后，它能夠達(dá)到最長(zhǎng)16小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。

我國的軍用級(jí)動(dòng)力外骨骼在近年的新聞報(bào)道中也頻頻出現(xiàn)。由中國航天科工集團(tuán)二院206所研制的搬運(yùn)外骨骼，參與了“嫦娥五號(hào)”返回器的回收工作，使原本需要兩人的搬運(yùn)作業(yè)，僅需一人即可完成。其標(biāo)配的電池，在綜合工況下可以提供約4小時(shí)的續(xù)航時(shí)間。

無源外骨骼更適宜現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)

綜合以上的案例，不難發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力來源始終是動(dòng)力外骨骼裝備發(fā)展路上最令人頭疼的問題。而以俄羅斯研發(fā)的K-2被動(dòng)式外骨骼為代表的一系列無需外部供能的外骨骼系統(tǒng)，不僅有效避開了電池續(xù)航不足的問題，也因?yàn)槌林氐碾姵睾蛣?dòng)力組件的取消，而變得十分輕盈。它在敘利亞戰(zhàn)場(chǎng)投入使用后，深受俄軍士兵的喜愛。

HULC系統(tǒng)

K-2外骨骼自重僅2千克，通過簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)將士兵負(fù)重的50%～80%傳遞到地面，穿戴后別在腰間的“第三只手”，可以掛載包括輕機(jī)槍、掃雷裝置在內(nèi)的多種武器配置，同樣起到了增加士兵負(fù)重的作用。

俄羅斯研發(fā)的K-2 被動(dòng)式外骨骼

而我國解放軍配備衛(wèi)生兵的單兵無源外骨骼也采用了這一設(shè)計(jì)思路。穿戴后，可以減輕人體站立時(shí)70%的重量，讓體格較小的女衛(wèi)生員也可以攜帶大量的醫(yī)療物資，并能夠扛起70公斤重的傷員及時(shí)撤下前線。

總的來看，現(xiàn)有的軍用級(jí)動(dòng)力外骨骼，受限于電池組能量密度較低與傳感器信號(hào)獲取等技術(shù)門檻，主要目的仍在于增加士兵的負(fù)重能力。

XOS–2動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)

去掉電源的無源外骨骼，顯然在現(xiàn)階段更符合軍方的要求。若要實(shí)現(xiàn)科幻作品中超級(jí)士兵上天入地的靈活姿態(tài)，必定需要人類在腦機(jī)接口方面取得較為重大的突破，獲取到更加直觀的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并輔以強(qiáng)大的動(dòng)力源。如電影《鋼鐵俠》中主角所使用的微型冷核聚變“方舟反應(yīng)堆”，或者更為實(shí)際的低噪音燃油發(fā)電機(jī)、燃料電池等。

如果未來真的取得了上述突破，那么將對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的形式產(chǎn)生深刻的變革。能夠抵抗12.7毫米子彈射擊的單兵重型裝甲將會(huì)被大量裝備，目前世界各國普遍采用的小口徑中威力彈種也會(huì)被淘汰。反之，“看起來很美”的軍用級(jí)動(dòng)力外骨骼，大概永遠(yuǎn)都不會(huì)成為戰(zhàn)場(chǎng)上的主角。

讓截癱者重新站起來

外骨骼支架設(shè)備Ekso GT

相比軍用領(lǐng)域，動(dòng)力外骨骼在民用領(lǐng)域的應(yīng)用同樣值得關(guān)注。2012年，美國Ekso Bionics推出首款外骨骼支架設(shè)備Ekso GT，并與當(dāng)?shù)氐纳窠?jīng)康復(fù)中心合作，讓截癱患者重新獲得站立的能力，進(jìn)行步行訓(xùn)練。

而自2017年起，著名汽車制造商福特公司也開始與Ekso Bionics合作，開發(fā)工業(yè)用外骨骼設(shè)備Ekso Vest，并在一年后將其裝備至福特在全球15個(gè)地區(qū)的工廠中，大大降低了汽車裝配流水線工人的工作強(qiáng)度，減少了工人腰肌勞損的發(fā)病率，并提高了他們的工作效率。

/ 民用級(jí)外骨骼通常也只能提供數(shù)小時(shí)的續(xù)航，極大地限制了穿戴者的行動(dòng)范圍。 /

如今包括Ekso Bionics在內(nèi)的數(shù)十家公司的動(dòng)力外骨骼產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全球多家著名企業(yè)的工廠內(nèi)。而日本Cyberdyne公司自2004年起研發(fā)、于2008年正式發(fā)布的的HAL（Hybrid Assistive Limb，意為混合輔助肢體）外骨骼也在醫(yī)療領(lǐng)域深耕多年，現(xiàn)在已經(jīng)推出至第五代，并在先前福島核電站事故的殘骸清理作業(yè)中得到了應(yīng)用。

然而，高昂的成本與動(dòng)輒十幾萬美元的售價(jià)，限制了個(gè)人用戶對(duì)民用級(jí)外骨骼的購買欲望。并且，這一裝置的售價(jià)在保險(xiǎn)公司眼中也大大超過了其價(jià)值，在保險(xiǎn)條款中往往也將其除外。

這使得大部分外骨骼的銷售目標(biāo)只能集中在大型康復(fù)中心、醫(yī)院或是工廠。而且與軍用級(jí)外骨骼遇到的瓶頸相似，民用級(jí)外骨骼通常也只能提供數(shù)小時(shí)的續(xù)航，極大地限制了穿戴者的行動(dòng)范圍。

增強(qiáng)義肢：人與機(jī)械融合

相比附著于軀體外部的外骨骼裝甲，直接取代一部分軀體的義肢，同樣是科幻類游戲和電影的常客?！顿惒┡罂?077》中，主角可以植入具有環(huán)境分析功能的電子眼、手臂內(nèi)藏的螳螂刀，還能換上可以實(shí)現(xiàn)二段跳的增強(qiáng)肌腱等等一系列增強(qiáng)型義肢。

而與《賽博朋克2077》類似，以義肢改造作為賣點(diǎn)的游戲還有《殺出重圍》《合金裝備崛起：復(fù)仇》《只狼：影逝二度》《鬼泣5》等作品。雖然現(xiàn)實(shí)生活中，義肢還只是作為殘障人士提高生活質(zhì)量的一種手段，但顯然人們對(duì)它還有著更高的期望。

也許在不那么遙遠(yuǎn)的未來，四肢健全的人類也會(huì)為了超凡的能力，像《賽博朋克2077》的主角般，主動(dòng)接受義肢改造。人類與機(jī)械的界限正在逐漸模糊。游戲和影視作品為我們描繪了義肢與動(dòng)力外骨骼的未來，人類的定義是否也將隨之改變？讓我們拭目以待。