如何打造一件钢铁战衣
看过好莱坞电影《钢铁侠》的观众一定对钢铁侠的金属动力服印象深刻。钢铁侠战衣的动力核心是胸口的钯核心微电弧反应堆。这种反应堆不但能够驱动动力服在地面行动，而且可以驱动钢铁侠脚底下的离子发动机让其上天入海，甚至在手中凝聚成离子炮进行攻击。按照电影中的情节估算，钢铁侠动力服的反应堆每秒能产生大约30亿焦耳的能量，堪称发动机中的神器。在现实世界中，与之类似的单兵外骨骼技术已经在21世纪初取得了关键性突破，其实际应用前景也已受到多方的关注。
外骨骼是什么
外骨骼，全称动力外骨骼或动力服，由骨骼模样的框架组成，是可以让人穿上的机器。这个装备通过外置发动机、电池或者液压系统为人体提供额外能量供四肢运动，以增强穿戴者的力量和耐久力。
最早的外骨骼可以追溯到19世纪末。1890年，一位名为尼古拉斯·亚根的俄罗斯人发明了一种用压缩空气包作为动力的类外骨骼系统。1917年，美国发明家则开发了一种以蒸汽为动力的外骨骼。
但真正意义上的外骨骼动力服是1960年通用电气公司与美国军队共同开发的，当时命名为“哈迪曼”。通过液压和电机驱动结构，配合力觉反馈感应系统，穿戴者穿着这套装备举起150千克的物体就像举起6千克的物体一样轻松。这一切看似完美，但整机重达680千克的装备根本无法让穿戴者自如行走，而且系统反应速度极慢，穿上它每秒只能走76厘米，只有平常人正常步速的一半，最终被改装成机械臂。
在经历了20世纪60年代的笨重之后，外骨骼在1986年后进入快速发展阶段。当时，一位名叫蒙蒂·里德的美国人设计了一种叫“生命服”的外骨骼系统。蒙蒂曾是美国陆军游骑兵特种部队的士兵，但他在跳伞训练中背部受伤。蒙蒂在医院恢复过程中，从著名的科幻小说《星河战队》中“机动士兵动力服”的概念获得灵感，随后开发出了这一系统。 2001年，“生命服”1号诞生。2005年，“生命服”12号创造了外骨骼步行的世界纪录—90分钟走完5.4千米，和正常人步行速度基本一致。现在，“生命服”已经发展到14号，一次充电能够走1.6千米、搬运92千克物品。
目前，世界上各种生产或正在研制的外骨骼型号有15个以上。除了美国以外，日本、韩国、欧洲也有很多企业和大学投入到外骨骼系统的研制。尤其是人口老龄化和低生育率问题异常严重的日本，对外骨骼技术有着异乎寻常的兴趣。日本佐川电子在2013年7月曾推出世界上第一台商用化外骨骼动力服，价格约合90万人民币，全球限量5台。
世界各国的超级钢铁侠外衣
一般的单兵外骨骼系统包含六大部件：仿形机械结构装置、智能感应装置、控制系统、通信计算系统、执行机构和能源系统。工作原理一般是：系统通过在人体和外骨骼上的传感器感应人的运动信息、力学信息和生理信息。计算机负责处理各类信息，并通过预测和感知算法感知人体姿态、运动趋势和人与外骨骼之间的耦合度，控制系统将这些参数转换为控制参数，令能源系统驱动执行机构动作，实现辅助作用。
世界各国研发单兵外骨骼系统的根本目的就是提升单兵的战斗力。一是增强打击能力。士兵能携带更多、火力更大的武器装备，可以大幅提高单兵打击能力。由于大部分人能够拿起和携带的重量有限，过重的单兵装备会把士兵压垮，因此，借助外骨骼系统，士兵可以携带更多的装备和给养，进而提高士兵的战斗力。二是提高防护能力。由于外骨骼系统的承载能力远超人体，可以在其上加装适合单兵的复合材料装甲，将单兵防护提高到一个新的水平。三是提高机动能力。普通人走路的时速为6～10千米，但是士兵通常要携带很重的军需品，很难快速行进。外骨骼系统前后皆可负重，且可以提高士兵在水平地面的行进速度并持续最大速度，这将大大提高单兵的机动能力。四是提高战场感知能力。外骨骼系统可以加装传感器系统，以加强士兵的战场态势感知能力；还可以加装卫星通信和定位装置，让每个士兵都成为一个网络通信节点，指挥部可以清楚知道每个士兵目前所在的位置。
美国的“人体负重外骨骼”（HULC）是典型的单兵外骨骼系统。该项目由洛克希德·马丁公司（以下称洛马公司）研制，它是一種模仿人体结构特点设计的外骨骼装置，采用电池供电和液压驱动，利用单一电池充电器便能够使穿戴者背负约91千克的重物在全地形条件下步行20千米。穿戴人体负重外骨骼后，士兵能够完成爬行、深蹲、行走和上半身提举重物等一系列动作。人体负重外骨骼配有先进的微型计算机，以便与士兵的动作保持一致。人体负重外骨骼既可提高士兵的持久作战能力，又可降低士兵受伤的风险。
美国士兵经常负载过重的战斗载荷，这就增加了对身体的压力，容易导致精疲力竭。HULC可以把这种重量通过电池驱动的钛金属肢体转移到地面上。先进的便携式微型计算机可以使得这种外骨骼与士兵们的运动保持协调一致。HULC的这种完全非捆绑式、液压驱动的人形外骨骼使得士兵们的行动坐卧毫不费力。
此外，洛马公司还研制了FORTIS膝减压装置，这是一个刚性支撑架，不需要电力，甚至可以帮助工厂和船厂工人搬运笨重的工具，减少其疲劳感。穿戴者可以自由活动，只需经过15分钟的培训就可以掌握使用技巧，有的甚至不用培训直接就能使用。在测试中，穿戴者负重可达84千克，完成蹲起次数平均超过50次。前海军项目承包商、洛马公司产品经理基思·麦斯威尔说：“它真的可以推你上楼梯，让你爬得更快，感觉不那么累。”麦斯威尔称，在15度的斜坡上，该装置也能降低人类的能量消耗，“净代谢成本”只有约9%。
法国的“大力神”也是一种先进的可穿戴式外骨骼系统。该系统由法国武器装备总署制定，法国多家公司目前正在研制这种能够帮助穿戴者运送较重载荷的外骨骼。“大力神”外骨骼主要由机械腿（结合机械装置、计算机和电子装置）和背部支撑架组成，使穿戴者能够轻松背负重物。该外骨骼不久后还将配装机械臂，以使穿戴者能够搬运重物。
“大力神”外骨骼的独特之处在于不采用无线电控制，能够自动探测到肢体运动，随后根据执行意图代替穿戴者执行这一动作。“大力神”外骨骼还具备出色的性能和密实度。它可携带100千克重物，其电池可使穿戴者以4千米/小时的速度行进大约20千米。其应用范围十分广泛，包括帮助消防队员、特種部队和步兵将重物运送至目的地、在医疗领域为残疾患者提供帮助、在建筑和后勤领域用于运送重物等。
俄罗斯的单兵外骨骼装备研发也不甘于人后。最新装备名为“21-战士”，重量为22千克。目前，俄军士兵配备的单兵装备为36千克，极大超过士兵身体负重标准。第二代俄军装备将整合攻击、防御、操控、生存和能源补给等功能。“21-战士”项目预计花费3500万美元，而美国的同类项目将投入15亿美元。此外，由莫斯科国立大学研究的旨在减轻军人体力负荷的机械结构外部骨骼近期在俄罗斯国防部的评估中获得了好评。目前，俄罗斯的外骨骼主要还是加强了腿部及腰部等负荷能力，双手的灵活性得到了保留并配置了防弹罩。从最终效果图看，两臂力量的加强是今后研制的重点。
研制难点及未来发展趋势
电影中的钢铁侠战衣被评论为“机械设计水平变态、材料变态、控制系统变态、能量更是变态”。这几个方面，恰恰也是外骨骼系统研制面临的主要难点。
首先是制作材料。早期的外骨骼是用钢和铝金属制作的，但系统自重过大，使外骨骼的动力在驱动人体之外还要克服自重。因此现在的研制者都在想办法降低自重，多使用复合材料、钛合金等轻质材料以使能量效率更高。
其次是动作装置。正是这一部分让士兵获得更大力量。以前，液压动力筒因其动力输出较大、动作执行准确获得青睐，但缺点是重量过大，而且液压装置有可能泄漏。现在“动作装置”研发的重点转向小型或微型的永磁伺服马达。这种伺服马达能够组装成微小的组件来实现大力矩和高响应度的运动。
第三是关节的灵活度。这涉及到外骨骼能否完成更多的战术动作，例如匍匐、跳跃等。这些动作对于人体关节来说轻而易举，但对于模仿人体关节的外骨骼来说，难度就较大了。尤其是人体肩关节、胯关节、脊柱等部位，都是外骨骼模仿的难点。目前主流的外骨骼都是沿着人体的肩部、胯部和膝盖，设置外部球形接头，然后通过平行的连接杆实现连接。但在运动时，这些外部的人造关节和连接杆往往与人体的贴合度发生错位。这样的外骨骼系统虽然不干扰步行，但对使用者的弯腰仍有较大影响。
第四是控制系统。良好的外骨骼系统应该有一套精密的计算机人工智能控制系统，以控制外骨骼对人体的动作进行响应。如果响应速度过慢，动作效率低；响应速度过快，则有可能给使用者带来伤害。由于人体不同关节动作速度有快有慢，因此外骨骼控制系统也必须能协调速度，让使用者感到外骨骼是一种助力而不是阻力。先进的控制系统能够发现并阻止使用者的错误动作，例如摔倒，这对于本身行动不便的伤残人士很重要。
最后是电源动力。像钢铁侠那样拥有无所不能的反应堆，仅是电影中的幻想，现有动力输出较强的内燃机由于噪声、隔热等问题无法应用。因此，现在主流外骨骼系统均使用电池来驱动电动机。高容量的燃料电池是目前研究的重点，但也只能勉强满足需要。有些专家则设想，未来可以对外骨骼使用无线电能传输。
当前，动力外骨骼系统作为单兵装备领域的新发展点，得到了各军事大国的普遍重视。虽然军方不能期待单兵外骨骼能让士兵成为钢铁侠，但一个“士兵背负上百千克装备、在高原山间健步如飞”的场景有着十足的吸引力。不过，想要实现这一目标还有不少困难。以美军为例，在研制出几种单兵外骨骼系统后，还没有一种在战场上投入测试。因此，就目前技术发展看，单兵外骨骼系统很可能优先应用在非战斗领域，例如后勤运输、场站维护、装备修理等需要士兵进行大体力搬运的场合，以缓解士兵们的工作强度。
作者：颜慧
来源：《百科知识》
