进化!动力外骨骼打造“大力士”

2021-03-25 08:54马点秋
看世界 2021年5期
关键词:义肢外骨骼大力士

马点秋

无论是电影《流浪地球》中的单兵加特林动力装甲,还是游戏《孤岛危机》中的生化纳米服,人类从未放弃过对由动力外骨骼驱动的“超级士兵”这一概念的探索,并为其披上了一层科幻的外衣。

電影《明日边缘》中的动力装甲

顾名思义,动力外骨骼是一套由外部动力驱动的人体增强系统,附着在人体外部。通过植入大脑或紧贴皮肤的传感器,它可以感知人类在进行动作前的生物电流变化,由此来提前判断穿戴者的动作意图,并驱动响应极快的伺服电机,将这些动作“复制”到驱动关节上,使穿戴者变为无所不能的超级士兵。

动力外骨骼的演化史

“外骨骼”并非由人类率先拥有,其普遍存在于虾、蟹、昆虫等生物,一般是指能够对生物柔软内部器官进行构型和保护的坚硬外部结构。从进化学上来看,现代脊椎生物的祖先古代鱼类中,内、外骨骼是泾渭分明的,甚至现代人类的头骨和肩胛骨也是从远古脊椎动物的外骨骼演化而来。

在漫长的进化历程中,脊椎动物慢慢褪去了不利于活动的外层骨骼,进化成了如今的模样。然而随着科技的发展,人们对这种古老的生理结构重新燃起了热情。

追本溯源,动力外骨骼这一概念的产生,可以回溯到19世纪英国插画师Robert Seymour所绘制的一幅插画《Walking By Steam》。该画展示了由蒸汽驱动的汽车、飞机,以及一台巨大的行走机器,大概可以看作是动力外骨骼这一概念的雏形。

时间来到了1965年。冷战阴影下,许多只存在于科幻小说中的装备被带进现实,动力外骨骼也不例外。由美国军方和通用公司共同研发的电机液压混合驱动的Hardiman装置,成为人类所制造出的第一台真正意义上的动力外骨骼。

1 9 世纪插画《Walking BySteam》

然而以现在的技术眼光来看,它更像是一台小型工程机械,因其并不具备高精度的动作传感器来复制人类的动作。虽然手臂部分的力反馈传感器可以实现简单抓握,但其腿部部分仅仅可以像机器人般以固定的节奏载人前行。

Hardiman研发过程中遇到的诸多问题,暂时消减了人类对动力外骨骼的研发热情。进入了21世纪,同样由美国国防部高级研究计划署(简称DARPA)资助,由雷神公司主导研发的大名鼎鼎的XOS–2动力外骨骼系统,显然与科幻作品中的外骨骼装甲更为贴近。于2010年发布的XOS–2动力外骨骼系统可以让士兵轻松举起90千克的重物,并可以完成爬坡、踢球等较为灵活的动作。

/ 动力来源始终是动力外骨骼装备发展路上最令人头疼的问题。 /

XOS–2获得了2010年《时代》杂志“最具震慑力”发明奖项。与XOS–2类似的军用领域动力外骨骼,还包括由洛克希德·马丁公司主导研发的、具备动能回收系统的HULC系统。

HULC源自加州大学伯克利分校于2000年研制的BLEEX下肢外骨骼系统,设计重心在于腰间与腿部的支撑结构。HULC在BLEEX的基础上采用了更轻、强度更高的钛金属材料,融入模块化设计理念,并增加了动能回收系统,利用人行走时换脚产生的动能,为装置回收一部分能量。

然而即便如此,HULC也只能保证穿戴者以4.8公里每小时的速度,背负90千克重物持续行进一个小时。这一情况在HULC的继任者、同样由洛克希德·马丁公司研制的ONYX系统中有所改善。其可以根据穿戴者所处的地形状况和背负的载荷自动调整功率。在配备了5.4千克的电池组后,它能够达到最长16小时的运行时间。

我国的军用级动力外骨骼在近年的新闻报道中也频频出现。由中国航天科工集团二院206所研制的搬运外骨骼,参与了“嫦娥五号”返回器的回收工作,使原本需要两人的搬运作业,仅需一人即可完成。其标配的电池,在综合工况下可以提供约4小时的续航时间。

无源外骨骼更适宜现代战场

综合以上的案例,不难发现,动力来源始终是动力外骨骼装备发展路上最令人头疼的问题。而以俄罗斯研发的K-2被动式外骨骼为代表的一系列无需外部供能的外骨骼系统,不仅有效避开了电池续航不足的问题,也因为沉重的电池和动力组件的取消,而变得十分轻盈。它在叙利亚战场投入使用后,深受俄军士兵的喜爱。

HULC系统

K-2外骨骼自重仅2千克,通过简单的机械结构将士兵负重的50%~80%传递到地面,穿戴后别在腰间的“第三只手”,可以挂载包括轻机枪、扫雷装置在内的多种武器配置,同样起到了增加士兵负重的作用。

俄罗斯研发的K-2 被动式外骨骼

而我国解放军配备卫生兵的单兵无源外骨骼也采用了这一设计思路。穿戴后,可以减轻人体站立时70%的重量,让体格较小的女卫生员也可以携带大量的医疗物资,并能够扛起70公斤重的伤员及时撤下前线。

总的来看,现有的军用级动力外骨骼,受限于电池组能量密度较低与传感器信号获取等技术门槛,主要目的仍在于增加士兵的负重能力。

XOS–2動力外骨骼系统

去掉电源的无源外骨骼,显然在现阶段更符合军方的要求。若要实现科幻作品中超级士兵上天入地的灵活姿态,必定需要人类在脑机接口方面取得较为重大的突破,获取到更加直观的驱动信号,并辅以强大的动力源。如电影《钢铁侠》中主角所使用的微型冷核聚变“方舟反应堆”,或者更为实际的低噪音燃油发电机、燃料电池等。

如果未来真的取得了上述突破,那么将对战争的形式产生深刻的变革。能够抵抗12.7毫米子弹射击的单兵重型装甲将会被大量装备,目前世界各国普遍采用的小口径中威力弹种也会被淘汰。反之,“看起来很美”的军用级动力外骨骼,大概永远都不会成为战场上的主角。

让截瘫者重新站起来

外骨骼支架设备Ekso GT

相比军用领域,动力外骨骼在民用领域的应用同样值得关注。2012年,美国Ekso Bionics推出首款外骨骼支架设备Ekso GT,并与当地的神经康复中心合作,让截瘫患者重新获得站立的能力,进行步行训练。

而自2017年起,著名汽车制造商福特公司也开始与Ekso Bionics合作,开发工业用外骨骼设备Ekso Vest,并在一年后将其装备至福特在全球15个地区的工厂中,大大降低了汽车装配流水线工人的工作强度,减少了工人腰肌劳损的发病率,并提高了他们的工作效率。

/ 民用级外骨骼通常也只能提供数小时的续航,极大地限制了穿戴者的行动范围。 /

如今包括Ekso Bionics在内的数十家公司的动力外骨骼产品,已经广泛应用于全球多家著名企业的工厂内。而日本Cyberdyne公司自2004年起研发、于2008年正式发布的的HAL(Hybrid Assistive Limb,意为混合辅助肢体)外骨骼也在医疗领域深耕多年,现在已经推出至第五代,并在先前福岛核电站事故的残骸清理作业中得到了应用。

然而,高昂的成本与动辄十几万美元的售价,限制了个人用户对民用级外骨骼的购买欲望。并且,这一装置的售价在保险公司眼中也大大超过了其价值,在保险条款中往往也将其除外。

这使得大部分外骨骼的销售目标只能集中在大型康复中心、医院或是工厂。而且与军用级外骨骼遇到的瓶颈相似,民用级外骨骼通常也只能提供数小时的续航,极大地限制了穿戴者的行动范围。

增强义肢:人与机械融合

相比附着于躯体外部的外骨骼装甲,直接取代一部分躯体的义肢,同样是科幻类游戏和电影的常客。《赛博朋克2077》中,主角可以植入具有环境分析功能的电子眼、手臂内藏的螳螂刀,还能换上可以实现二段跳的增强肌腱等等一系列增强型义肢。

而与《赛博朋克2077》类似,以义肢改造作为卖点的游戏还有《杀出重围》《合金装备崛起:复仇》《只狼:影逝二度》《鬼泣5》等作品。虽然现实生活中,义肢还只是作为残障人士提高生活质量的一种手段,但显然人们对它还有着更高的期望。

也许在不那么遥远的未来,四肢健全的人类也会为了超凡的能力,像《赛博朋克2077》的主角般,主动接受义肢改造。人类与机械的界限正在逐渐模糊。游戏和影视作品为我们描绘了义肢与动力外骨骼的未来,人类的定义是否也将随之改变?让我们拭目以待。

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