鋼鐵俠戰(zhàn)衣：單兵外骨骼系統(tǒng)

寂靜天花板

/ ~( m2 G9 F8 l% A. c7 x外骨骼(全稱動力外骨骼或動力服)由骨骼模樣的框架組成，是可以讓人穿上的機(jī)器。這個裝備通過外置發(fā)動機(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，以增強(qiáng)穿戴者的力量和耐久力。
外骨骼一開始就與軍事用途有著緊密聯(lián)系。軍方研制外骨骼不但希望能增加士兵在艱苦地形和戰(zhàn)場的持續(xù)作戰(zhàn)能力，而且還希望外骨骼能夠有更大的負(fù)重能力，帶動士兵的外部防護(hù)裝甲，因此軍用單兵外骨骼的發(fā)展重點(diǎn)是具有防護(hù)性能的動力裝甲。大家熟知的“鋼鐵俠”，實(shí)際上就是軍事專家夢寐以求的動力裝甲。當(dāng)然現(xiàn)在的技術(shù)距此還有相當(dāng)遙遠(yuǎn)的距離。

8 d1 b$ ]* o; D5 h4 ^5 b) M1 D除軍事用途外，外骨骼還應(yīng)用于醫(yī)療方面，主要是幫助一些傷殘人士獲得行動能力，也被稱為步行復(fù)原機(jī)器人。實(shí)際上醫(yī)學(xué)上的用途也和軍事用途有著密切聯(lián)系，因為軍隊作戰(zhàn)會導(dǎo)致大量傷殘發(fā)生，一個有效的外骨骼系統(tǒng)對于恢復(fù)部隊的士氣，緩解對社會的壓力都有重大作用。
最早外骨骼：輕松舉起150公斤但自重達(dá)680公斤
) u9 n; B+ Z& X8 M* w: U8 Y+ U最早的外骨骼可以追溯到1890年。當(dāng)時一位叫尼古拉斯·亞根的俄羅斯人發(fā)明了一種用壓縮空氣包為動力的類外骨骼系統(tǒng)。1917年，美國發(fā)明家則開發(fā)了一種以蒸汽為動力的外骨骼。
但真正意義上的外骨骼動力服在1960年由通用電氣公司與美國軍隊開發(fā)，當(dāng)時命名為Hardiman。穿著這套裝備舉起150公斤的物體就像舉起6公斤的物體一樣輕松。
" k' ]! F: a( w0 u% `不過這套服裝不實(shí)用，因為它本身的重量就有680公斤，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。

/ p6 R  u( R6 ^9 h& ]9 [# b在經(jīng)歷了上世紀(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)時一位名叫蒙蒂·里德的美國人設(shè)計了一種叫“生命服”的外骨骼系統(tǒng)。蒙蒂曾是美國陸軍游騎兵特種部隊的士兵，但他在跳傘訓(xùn)練中背部受傷。
9 g, n/ n' N( A% v5 E2 R: Y蒙蒂在醫(yī)院恢復(fù)過程中，從著名的科幻小說《星河戰(zhàn)隊》中的“機(jī)動士兵動力服”概念獲得啟發(fā)，開發(fā)出了這一系統(tǒng)，并向軍方做了匯報。2001年“生命服”1號誕生。

2005年，“生命服”12號創(chuàng)造了外骨骼步行的世界紀(jì)錄：90分鐘走完5.4公里，和正常人步行速度基本一致。現(xiàn)在，“生命服”已經(jīng)發(fā)展到14號，一次充電能夠走1英里、搬運(yùn)92公斤物品。
目前，世界上各種生產(chǎn)或在研的外骨骼型號就有15個以上。除了美國以外，日本、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題異常嚴(yán)重的日本，對外骨骼技術(shù)有著異乎尋常的興趣。日本佐川電子在2013年7月曾推出世界第一臺商用化外骨骼動力服，價格約90萬人民幣，全球限量5臺。

著名的電影《鋼鐵俠》中的天才發(fā)明家托尼·史塔克創(chuàng)造并使用了一套動力服，其匪夷所思的特性使其成為了最理想的單兵外骨骼。
' L5 i5 P- K# T5 H3 _% p5 y鋼鐵俠的動力服主要由鈦金屬等合金為主要成分，形成一個有韌性但又極度堅實(shí)且能提供極高防御作用的外殼，因此這是一個具有強(qiáng)大防護(hù)性能的動力裝甲。鋼鐵俠動力服最神奇的地方在于其動力推進(jìn)系統(tǒng)。
根據(jù)資深動漫迷的分析，鋼鐵俠戰(zhàn)衣的動力核心在于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)動動力服在地面行動，而且可以驅(qū)動鋼鐵俠腳底下的離子發(fā)動機(jī)讓史塔克上天入海，甚至在手中凝聚成離子炮來攻擊。
# o* U+ ]( L& I7 W) Y- Y, ?" f# c/ C按照電影中的情節(jié)估算，鋼鐵俠動力服的反應(yīng)堆每秒能產(chǎn)生大約30億焦耳的能量，堪稱發(fā)動機(jī)中的神器。更神奇的是，鋼鐵俠的動力系統(tǒng)還能與金屬戰(zhàn)衣互相作用，在戰(zhàn)衣表面形成一種力場，實(shí)現(xiàn)盔甲的充能、防護(hù)和自我修復(fù)。
& |& T+ t$ w3 \* N* ^# j4 D% b7 w: s此外，鋼鐵俠戰(zhàn)衣中還有一套人工智能系統(tǒng)——“賈維斯”，輔助鋼鐵俠的戰(zhàn)斗。用網(wǎng)友的話來說，就是“鋼鐵俠的戰(zhàn)衣機(jī)械設(shè)計水平變態(tài)、材料變態(tài)、控制系統(tǒng)變態(tài)、能量更是極其變態(tài)”。

6 n5 E  J- F, Z; _鋼鐵俠戰(zhàn)衣被評論為“機(jī)械設(shè)計水平變態(tài)、材料變態(tài)、控制系統(tǒng)變態(tài)、能量更是變態(tài)”。而這幾個方面，恰恰也是外骨骼系統(tǒng)研制的主要難點(diǎn)。
首先看材料
  z/ y  f. |1 c: K' e. ~! a' i0 a. f早期的外骨骼是用鋼和鋁金屬制作的，但造成系統(tǒng)自重過大，使外骨骼的動力在驅(qū)動人體之外還要克服自重。因此現(xiàn)在的研制都在降低自重，多使用復(fù)合材料、鈦合金等輕質(zhì)材料來讓能量效率更高。
其次是動作裝置
正是這一部分讓士兵獲得更大力量。以前，液壓動力筒因其動力輸出較大、動作執(zhí)行準(zhǔn)確獲青睞，但其缺點(diǎn)是重量過大，而且液壓裝置有可能泄漏。現(xiàn)在“動作裝置”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實(shí)現(xiàn)大力矩和高響應(yīng)度的運(yùn)動。
第三是關(guān)節(jié)的靈活度
% O4 A; |) a" m這涉及到外骨骼能夠完成更多的戰(zhàn)術(shù)動作，例如匍匐、跳躍等。這些動作對于人體關(guān)節(jié)來說輕而易舉，但對于模仿人體關(guān)節(jié)的外骨骼來說就難度較大了。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，然后通過平行的連接桿實(shí)現(xiàn)連接。但在運(yùn)動時，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)生錯位。現(xiàn)有的外骨骼系統(tǒng)雖然不干擾步行，但對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)該有一套精密的計算機(jī)人工智能控制系統(tǒng)，來控制外骨骼對人體的動作進(jìn)行響應(yīng)。如果響應(yīng)速度過慢，動作效率低；而響應(yīng)速度過快，則有可能給使用者帶來傷害。由于人體不同關(guān)節(jié)動作速度有快有慢，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。而且先進(jìn)的控制系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)并阻止使用者的錯誤動作，例如摔倒，這對于本身行動不便的傷殘人士很重要。
  \& i3 [. p" `5 k: I最后是電源動力
; C1 _6 q  s- H像鋼鐵俠那樣擁有無所不能的反應(yīng)堆，僅是電影中的幻想，現(xiàn)有動力輸出較強(qiáng)的內(nèi)燃機(jī)由于噪音、隔熱等問題無法應(yīng)用。因此，現(xiàn)在主流外骨骼系統(tǒng)均使用電池來驅(qū)動電動機(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。有些專家則設(shè)想，未來可以對外骨骼使用無線電能傳輸。
1 F8 v# r) V' b/ l8 C5 T* A/ a外骨骼發(fā)展走向何方？
動力外骨骼系統(tǒng)作為單兵裝備領(lǐng)域的新發(fā)展點(diǎn)，得到了軍事大國的普遍重視。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“士兵背負(fù)上百公斤裝備、在高原山間健步如飛”的場景有著十足的吸引力。
從21世紀(jì)十余年來外骨骼裝備的發(fā)展看，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)有著不小的難度。以美軍為例，在研制出幾種單兵外骨骼系統(tǒng)后，還沒有一種在戰(zhàn)場上投入測試。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、場站維護(hù)、裝備修理等需要士兵進(jìn)行大體力搬運(yùn)的場合，來緩解士兵們的工作強(qiáng)度。
另外，現(xiàn)有外骨骼雖然適用不了激烈的戰(zhàn)場，但在軍民融合的醫(yī)療領(lǐng)域仍有巨大價值。對于受傷士兵，外骨骼系統(tǒng)可有效幫助他們恢復(fù)行動能力乃至工作能力。

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