外骨骼“鋼鐵俠”VS“阿凡達”

王麗娜

多年來，科學家們期望借助機械的能量來增強人類的速度和力量，如今，快速發(fā)展的穿戴式外骨骼系統(tǒng)逐漸將這一夢想變?yōu)楝F(xiàn)實，從剛性外骨骼到柔性外骨骼，科幻世界中的“鋼鐵俠”和“阿凡達”正走進我們的生活。

“鋼鐵俠”的探索之路

19世紀，英國諷刺漫畫家羅伯特·西摩發(fā)表了令人腦洞大開的作品《Walking by Steam》，作品中的人類穿著各式各樣的蒸汽動力機械裝置，上天入地，無所不能。這一創(chuàng)作激發(fā)了科學家的想像，也開啟了穿戴式助力裝置的探索之路。

1880年，俄國天才少年尼克拉斯·雅格尼發(fā)明了一套裝置，通過采用鋼板彈簧和氣囊式氣壓閥來輔助行走、奔跑和跳躍。但由于不能提供額外的動力，需要依靠人的行走來驅動，因此距離人們的期望還相差甚遠。

外骨骼的真正登場是在20世紀60年代，美國軍方和通用公司合作開發(fā)了一款名為“哈迪曼”的動力外骨骼裝置。穿戴者的力量可以被增強25倍之多，成年人能輕松舉起150千克的重物，但受到當時科技水平的限制，整個系統(tǒng)約重680千克，移動速度不到1米/秒，最終只能改裝為機械臂。盡管如此，研究者認為，這一款能夠提供額外動力的外骨骼才是真正意義上的外骨骼。

1958年，美國成立國防先進研究項目局（簡稱DARPA），該局極力熱捧外骨骼在軍事上的作用，期望能像“鋼鐵俠”一樣，讓士兵跑得更快、跳得更高、力量更大，成為士兵的護甲和武器。盡管最初設想如同天方夜譚，但美國科學家對外骨骼的熱愛和期望促使新的外骨骼裝置不斷問世，從剛性外骨骼到柔性外骨骼，吸引著全世界的熱情與投入。

剛性外骨骼仿生人體

剛性外骨骼的設計理念來自人體骨骼的仿生，采用剛性連接桿與肢體并聯(lián)，對關節(jié)施加力矩，目的是代替人的骨骼和關節(jié)來跑跳和負重。感知人體運動意圖的裝置主要是足底壓力傳感器和肢體上分布的力傳感器，控制算法來自人體步態(tài)分析模型。在結構上同時發(fā)展了下肢型外骨骼和全身型外骨骼，設計逐漸貼近實際應用。

2000年，DARPA撥款5 000萬美元成立了人類行動強化外骨骼項目（EHPA），同時啟動下肢型外骨骼和全身型外骨骼的研制工作。前者的典型代表是BLEEX一代和BLEEX二代，而后者的典型代表是XOS一代和二代。

2004年，“伯克利”下肢外骨骼系統(tǒng)（一代）進行了成功演示。它采用安裝在旋轉關節(jié)上的雙向液壓缸驅動，配備有一套電液混合的便攜性能源供給裝置，可以保障一名體重75千克的人負載34千克，以1.3米/秒的速度輕松行走，是第一個真正實用的智能化負荷攜行裝置。

2009年，洛克·馬丁公司在“伯克利”一代的基礎上開發(fā)了“人體負重外骨骼”（HULC），提高了上半身負重能力，屬于第二代。整套系統(tǒng)由鈦合金制成的機械腿、驅動裝置及控制計算機和背部的負重部分、散熱單元等組成。機械腿按照人體仿生學設計，內部有液壓傳動裝置和類似關節(jié)的結構。HULC前后皆可負重，上半部分可按需配置承載裝置，如有抓炮彈的抓鉤和吊重型槍械的吊鉤等。HULC能調節(jié)高度，以適應身高1.6米至1.85米的士兵，穿脫只需30秒，質量為24千克（不含電池，兩塊鋰電池質量為3.6千克）。2011年6月，納提克士兵中心對HULC進行試驗，一次充滿電可保證穿戴者背負90千克重物，以5千米/小時的速度連續(xù)行進1個小時，沖刺速度能達到16千米/小時，并能完成爬行、深蹲、提舉重物等動作，不會對士兵身體造成負擔?？梢哉f，HULC是目前性能最強的單兵動力外骨骼裝置，已在美國軍方全面展開試驗。

2006年，SARCOS公司研制出了一種全身型的“可穿戴式能量自動化機器人”（WEAR），它的電池掛在腰部，角辨向器、肌電傳感器、地面?zhèn)鞲衅鳌恿︱寗友b置、測量系統(tǒng)、計算機、無線網(wǎng)絡和動力供應設備都裝在背包中，自重68千克。該系統(tǒng)也采用液壓系統(tǒng)來驅動關節(jié)，動力輔助控制器可調整人的姿態(tài)，穿戴該系統(tǒng)后能背負84千克的重物或人。當負載68千克、手持23千克的重物時，行進速度為1.6米/秒，還能穿過23厘米深的沼澤。

2007年，雷聲公司在收購了SARCOS公司后將WEAR更名為XOS，2010年推出了XOS2，比第一代省電50%，而且更輕更快更強大。XOS2可背負重物完成上千次俯臥撐，舉起重達90千克的物體，單手劈開7.6厘米厚的木板，并能輕松地爬坡上坎、踢球等，奔跑時速為4.8千米/小時，深得美軍認可，并被《時代》雜志評為2010年的50大發(fā)明之一。

除了美國，其他國家的外骨骼產(chǎn)品也在蓬勃地朝兩個應用方向發(fā)展：一個是軍事上的單兵助力，以美國、法國、俄羅斯為代表。另一個是民用上的醫(yī)療救護，以日本、韓國、以色列為代表。

我國外骨骼的研究開始于20世紀90年代。2006年海軍工程學院研制出第一款單兵負荷外骨骼系統(tǒng)，以直流伺服電機和諧波齒輪減速器驅動，配合機械結構氣彈簧，實現(xiàn)了負重情況下的輔助行走，已經(jīng)發(fā)展成第三代樣機。與此同時，國內其它單位如軍隊、院校、研究所、國企、民企等也在積極開展樣機研制并卓有成效。從總體上看，各單位技術指標水平相當，樣機均根據(jù)足底壓力來感知步態(tài)，但是傳感器布局、驅動方式等實現(xiàn)途徑略有不同，核心區(qū)別是人機協(xié)同方面。

2015年，軍方組織了國內首屆穿戴式助力裝備挑戰(zhàn)賽——“助力無限2015”，國內有15家外骨骼研制單位參加，經(jīng)過13個科目的考核，優(yōu)選出了一批性能優(yōu)異、技術先進的樣機。這些樣機主要技術方案為基于足底、關節(jié)傳感器的控制方式，分液壓和電機兩種動力類型，結構以下肢型外骨骼為主，多數(shù)能背負重物，少數(shù)還能完成搬移托舉。另外有個別單位開展了有關肌電、腦電和人體電容控制的外骨骼相關技術研究。從軍事應用看，剛性外骨骼未來主要朝作戰(zhàn)型和作業(yè)型發(fā)展。作戰(zhàn)型的用途是提高單兵負載、速度、耐力和防護能力等，主要用于徒步作戰(zhàn)、空降作戰(zhàn)、特種作戰(zhàn)、邊境巡邏等；作業(yè)型的用途是提高單兵搬運、托舉等能力，在彈藥和物資裝卸搬運、大型裝備拆裝維修、搶險救災等場合應用。

柔性外骨骼創(chuàng)新“布料”

柔性外骨骼的設計思路更像是為人體設計衣服，無論感知還是執(zhí)行機構都充分考慮與人體的柔性結合，通過感知生理信號來預判人體動作，如肌電信號、腦電信號、心率、血壓、血氧等。與剛性外骨骼采用大量剛性材料不同，柔性外骨骼更強調“布料”適應人的行動而不是去限制，因此，這種“衣服”的超凡能力與柔性“布料”息息相關。

哈佛威斯研究院展示了一款柔性外骨骼，由織物制成的柔性外骨骼穿在佩戴者的外衣內，面料通過提升生物肌肉潛力改善步態(tài)，穿戴后人的力量和耐力能增加25%。它的控制器通過傳感器來感知穿戴者的運動，一旦穿戴者運動即通過線纜傳遞動力，系在穿戴者大腿上的電纜連接的微型電機接管行走時肌肉負責的部分工作。這種特殊的織物輕便易穿，只有7.5千克重。這套裝備像衣服一樣穿著舒適，穿戴者只需正常行走就能與外骨骼協(xié)同運動，目前，它正在美國陸軍研究室接受軍方測試。

穿戴式機器人，或稱為柔性機器人代表了下一代的概念，將取代傳統(tǒng)的材料，SRI國際工程的Superflex內衣最先亮相，它的設計初衷是減輕背負45千克背包士兵的負擔，避免勞損，是外骨骼從剛性到柔性的進步，更接近于打造“外肌肉”和“外肌腱”。

2011年，DARPA開始“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服的研制項目，是一種輕便、柔韌的內穿型作戰(zhàn)服（詳見《兵器知識》2015年第7期）。

2014年彭博社報道，印第安納洲普渡大學的科學家正在實驗室里開發(fā)一種柔性機器人，能夠輔助癱瘓者直立行走。它與哈佛或SRI的柔性外骨骼不一樣，被稱之為超柔外骨骼，超柔性布料如同人體皮膚一樣可以伸展、蜷曲和擠壓，所有功能元件都嵌入在這種“皮膚”上，而且抗振動的能力更強，更加堅固，還能執(zhí)行太空任務。據(jù)研究者介紹，未來可穿戴機器人將由更舒適的材料制成，并具備一些嵌入式功能，不會限制穿戴者的自然運動，將與我們的日常生活高度融合。

在這項超柔外骨骼研究中，設計者采用了嵌入式驅動和傳感面料，可變剛度材料有可能為外骨骼機器人提供一系列新功能，包括通過調整剛性連接和關節(jié)位置來重新配置系統(tǒng)，并能夠調整不同剛度的可穿戴織物。這種可變剛度織物由形狀記憶材料制成，其中形狀記憶合金（SMA）表面涂覆有形狀記憶聚合物（SMP）薄膜，在向玻璃化轉變時，嵌入到SMA的加熱器直接加熱，使織物降低一個數(shù)量級的彎曲剛度。

剛柔并濟的“阿凡達”

無論剛性外骨骼還是柔性外骨骼，我們的終極需求是提高人的速度和力量，與人的運動協(xié)同一致。剛性外骨骼如同人體骨骼的復制，借助機械的力量放大自身的力量，但是人與外骨骼之間的交互無法突破相互限制的瓶頸，整個系統(tǒng)的重量帶來能源供給不足的難題。而柔性外骨骼充分吸收了材料學領域的先進技術，讓人與外骨骼的交互體如同穿衣服（甚至如同肌肉、皮膚）一樣自然自如，但是柔性外骨骼提供的額外動力還不能滿足士兵對增大力量和速度的需求，只能一定程度上緩解士兵的運動疲勞。

回顧外骨骼的發(fā)展，我們可以感受到，真正需要的是“阿凡達”，而不是“鋼鐵俠”，因為“鋼鐵俠”是人控制下的機器，而“阿凡達”是與人體完美的融合，外骨骼如同身體的延伸一樣行動自如、力量強大、速度超凡。當然，目前剛性和柔性外骨骼與我們理想中的“阿凡達”還有很大差距，我們寄希望于各領域科技的發(fā)展，共同突破外骨骼力量與舒適的難題，成就人們心中剛柔并濟的“阿凡達”。