外骨骼“钢铁侠”VS“阿凡达”

时间：2021-01-28 12:06:40　来源：雅意学习网本文已影响人

　　多年来，科学家们期望借助机械的能量来增强人类的速度和力量，如今，快速发展的穿戴式外骨骼系统逐渐将这一梦想变为现实，从刚性外骨骼到柔性外骨骼，科幻世界中的“钢铁侠”和“阿凡达”正走进我们的生活。
　　“钢铁侠”的探索之路

　　19世纪，英国讽刺漫画家罗伯特·西摩发表了令人脑洞大开的作品《Walking by Steam》，作品中的人类穿着各式各样的蒸汽动力机械装置，上天入地，无所不能。这一创作激发了科学家的想像，也开启了穿戴式助力装置的探索之路。
　　1880年，俄国天才少年尼克拉斯·雅格尼发明了一套装置，通过采用钢板弹簧和气囊式气压阀来辅助行走、奔跑和跳跃。但由于不能提供额外的动力，需要依靠人的行走来驱动，因此距离人们的期望还相差甚远。
　　外骨骼的真正登场是在20世纪60年代，美国军方和通用公司合作开发了一款名为“哈迪曼”的动力外骨骼装置。穿戴者的力量可以被增强25倍之多，成年人能轻松举起150千克的重物，但受到当时科技水平的限制，整个系统约重680千克，移动速度不到1米/秒，最终只能改装为机械臂。尽管如此，研究者认为，这一款能够提供额外动力的外骨骼才是真正意义上的外骨骼。
　　1958年，美国成立国防先进研究项目局（简称DARPA），该局极力热捧外骨骼在军事上的作用，期望能像“钢铁侠”一样，让士兵跑得更快、跳得更高、力量更大，成为士兵的护甲和武器。尽管最初设想如同天方夜谭，但美国科学家对外骨骼的热爱和期望促使新的外骨骼装置不断问世，从刚性外骨骼到柔性外骨骼，吸引着全世界的热情与投入。

　　刚性外骨骼仿生人体
　　刚性外骨骼的设计理念来自人体骨骼的仿生，采用刚性连接杆与肢体并联，对关节施加力矩，目的是代替人的骨骼和关节来跑跳和负重。感知人体运动意图的装置主要是足底压力传感器和肢体上分布的力传感器，控制算法来自人体步态分析模型。在结构上同时发展了下肢型外骨骼和全身型外骨骼，设计逐渐贴近实际应用。
　　2000年，DARPA拨款5 000万美元成立了人类行动强化外骨骼项目（EHPA），同时启动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”下肢外骨骼系统（一代）进行了成功演示。它采用安装在旋转关节上的双向液压缸驱动，配备有一套电液混合的便携性能源供给装置，可以保障一名体重75千克的人负载34千克，以1.3米/秒的速度轻松行走，是第一个真正实用的智能化负荷携行装置。

　　2009年，洛克·马丁公司在“伯克利”一代的基础上开发了“人体负重外骨骼”（HULC），提高了上半身负重能力，属于第二代。整套系统由钛合金制成的机械腿、驱动装置及控制计算机和背部的负重部分、散热单元等组成。机械腿按照人体仿生学设计，内部有液压传动装置和类似关节的结构。HULC前后皆可负重，上半部分可按需配置承载装置，如有抓炮弹的抓钩和吊重型枪械的吊钩等。HULC能调节高度，以适应身高1.6米至1.85米的士兵，穿脱只需30秒，质量为24千克（不含电池，两块锂电池质量为3.6千克）。2011年6月，纳提克士兵中心对HULC进行试验，一次充满电可保证穿戴者背负90千克重物，以5千米/小时的速度连续行进1个小时，冲刺速度能达到16千米/小时，并能完成爬行、深蹲、提举重物等动作，不会对士兵身体造成负担。可以说，HULC是目前性能最强的单兵动力外骨骼装置，已在美国军方全面展开试验。
　　2006年，SARCOS公司研制出了一种全身型的“可穿戴式能量自动化机器人”（WEAR），它的电池挂在腰部，角辨向器、肌电传感器、地面传感器、动力驱动装置、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中，自重68千克。该系统也采用液压系统来驱动关节，动力辅助控制器可调整人的姿态，穿戴该系统后能背负84千克的重物或人。当负载68千克、手持23千克的重物时，行进速度为1.6米/秒，还能穿过23厘米深的沼泽。

　　2007年，雷声公司在收购了SARCOS公司后将WEAR更名为XOS，2010年推出了XOS2，比第一代省电50%，而且更轻更快更强大。XOS2可背负重物完成上千次俯卧撑，举起重达90千克的物体，单手劈开7.6厘米厚的木板，并能轻松地爬坡上坎、踢球等，奔跑时速为4.8千米/小时，深得美军认可，并被《时代》杂志评为2010年的50大发明之一。

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