鋼鐵俠戰(zhàn)衣：單兵外骨骼系統(tǒng)

寂靜天花板

- Y8 M) \1 {, p+ ?0 i& a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器。這個裝備通過外置發(fā)動機、電池或者液壓系統(tǒng)為人體提供額外能量供四肢運動，以增強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重能力，帶動士兵的外部防護裝甲，因此軍用單兵外骨骼的發(fā)展重點是具有防護性能的動力裝甲。大家熟知的“鋼鐵俠”，實際上就是軍事專家夢寐以求的動力裝甲。當然現(xiàn)在的技術距此還有相當遙遠的距離。

! h0 b1 D! I, W* O# Y( d除軍事用途外，外骨骼還應用于醫(yī)療方面，主要是幫助一些傷殘人士獲得行動能力，也被稱為步行復原機器人。實際上醫(yī)學上的用途也和軍事用途有著密切聯(lián)系，因為軍隊作戰(zhàn)會導致大量傷殘發(fā)生，一個有效的外骨骼系統(tǒng)對于恢復部隊的士氣，緩解對社會的壓力都有重大作用。
( }. g' B( v  f2 i最早外骨骼：輕松舉起150公斤但自重達680公斤
3 J  q* s0 _$ C3 U最早的外骨骼可以追溯到1890年。當時一位叫尼古拉斯·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。
! W' H$ z" E, W+ I' j7 l) K不過這套服裝不實用，因為它本身的重量就有680公斤，而且系統(tǒng)反應速度極慢，穿上它每秒只能走76厘米，只有平常人正常步速的一半。

在經(jīng)歷了上世紀60年代的笨重之后，外骨骼在1986年后進入快速發(fā)展階段。當時一位名叫蒙蒂·里德的美國人設計了一種叫“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，但他在跳傘訓練中背部受傷。
2 [' x+ W# y% }0 u" {. h+ p蒙蒂在醫(yī)院恢復過程中，從著名的科幻小說《星河戰(zhàn)隊》中的“機動士兵動力服”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重的日本，對外骨骼技術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。
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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。
& j/ O  j7 x) C4 z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且能提供極高防御作用的外殼，因此這是一個具有強大防護性能的動力裝甲。鋼鐵俠動力服最神奇的地方在于其動力推進系統(tǒng)。
$ @, B  ^" l4 k; D" e, U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堆。這種反應堆不但能夠驅(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)動機讓史塔克上天入海，甚至在手中凝聚成離子炮來攻擊。
按照電影中的情節(jié)估算，鋼鐵俠動力服的反應堆每秒能產(chǎn)生大約30億焦耳的能量，堪稱發(fā)動機中的神器。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，實現(xiàn)盔甲的充能、防護和自我修復。
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)衣機械設計水平變態(tài)、材料變態(tài)、控制系統(tǒng)變態(tài)、能量更是極其變態(tài)”。
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鋼鐵俠戰(zhàn)衣被評論為“機械設計水平變態(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。
首先看材料
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，多使用復合材料、鈦合金等輕質(zhì)材料來讓能量效率更高。
$ f! l; i% [% J4 N8 u9 C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)行準確獲青睞，但其缺點是重量過大，而且液壓裝置有可能泄漏。現(xiàn)在“動作裝置”研發(fā)的重點轉向小型或微型的永磁伺服馬達。這種伺服馬達能夠組裝成微小的組件來實現(xiàn)大力矩和高響應度的運動。
第三是關節(jié)的靈活度
$ m! G8 [( A3 [2 b: b% Z; K這涉及到外骨骼能夠完成更多的戰(zhàn)術動作，例如匍匐、跳躍等。這些動作對于人體關節(jié)來說輕而易舉，但對于模仿人體關節(jié)的外骨骼來說就難度較大了。尤其是人體肩關節(jié)、胯關節(jié)、脊柱等部位，都是外骨骼模仿的難點。目前主流的外骨骼都是沿著人體的肩部、胯部和膝蓋，設置外部球形接頭，然后通過平行的連接桿實現(xiàn)連接。但在運動時，這些外部的人造關節(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)
9 `6 A3 ?, H3 }& Q1 z3 k$ ~' X$ N良好的外骨骼系統(tǒng)應該有一套精密的計算機人工智能控制系統(tǒng)，來控制外骨骼對人體的動作進行響應。如果響應速度過慢，動作效率低；而響應速度過快，則有可能給使用者帶來傷害。由于人體不同關節(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。
最后是電源動力
像鋼鐵俠那樣擁有無所不能的反應堆，僅是電影中的幻想，現(xiàn)有動力輸出較強的內(nèi)燃機由于噪音、隔熱等問題無法應用。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。高容量的燃料電池是目前研究的重點，但也只能勉強滿足需要。有些專家則設想，未來可以對外骨骼使用無線電能傳輸。
- b& I# z) L* b9 ]外骨骼發(fā)展走向何方？
% ~( {4 d1 b; M+ d8 `1 h動力外骨骼系統(tǒng)作為單兵裝備領域的新發(fā)展點，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世紀十余年來外骨骼裝備的發(fā)展看，實現(xiàn)這一目標有著不小的難度。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，就目前技術發(fā)展看，單兵外骨骼系統(tǒng)很可能優(yōu)先應用在非戰(zhàn)斗領域，例如后勤運輸、場站維護、裝備修理等需要士兵進行大體力搬運的場合，來緩解士兵們的工作強度。
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行動能力乃至工作能力。

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