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    如何打造一件钢铁战衣

    时间:2021-01-29 00:05:37 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站


      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。
    ①“哈迪曼”机械臂
    ②日本研制的民用外骨骼装备

      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。

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