在好萊塢科幻電影中，我們?？吹教胤N作戰(zhàn)的士兵的腰部、腿部等部位裝配有金屬框架類(lèi)的配件，戴上這種裝備的士兵個(gè)個(gè)力大無(wú)窮，健步如飛且還能飛檐走壁。這種形似骨架的，能增強(qiáng)人類(lèi)能力的可穿戴機(jī)電裝備就是我們常聽(tīng)說(shuō)的 " 外骨骼 "。

圖 1 科幻電影《流浪地球》中的全身外骨骼（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

外骨骼的概念其實(shí)并不新奇，早在 19 世紀(jì)，俄羅斯發(fā)明家尼古拉斯 · 亞根即已提出利用彈簧作為動(dòng)力來(lái)幫助跳躍、奔跑的裝置；而美國(guó)發(fā)明家萊斯利 · 凱利也曾提出小型蒸汽機(jī)、壓縮氣囊加外置框架的方式提供動(dòng)力的想法，但當(dāng)時(shí)電力技術(shù)剛剛起步，這類(lèi)裝置的機(jī)械效率很低。

和許多其他的民用先進(jìn)技術(shù)一樣，外骨骼技術(shù)的發(fā)展最開(kāi)始也是由軍方提出需求而引導(dǎo)的。60 年代前后，美國(guó)軍方啟動(dòng)了增強(qiáng)型軍用裝甲項(xiàng)目，康奈爾大學(xué)、通用電氣公司等的研究者也同步開(kāi)始了人體增強(qiáng)的概念研究。之后數(shù)年內(nèi)，曾出現(xiàn)第一款名為哈迪曼（Hardiman）的單兵可穿戴裝備，哈迪曼擁有 28 個(gè)關(guān)節(jié)和兩個(gè)抓取臂，由復(fù)雜的液壓和電子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中曾成功舉起過(guò) 1500 磅的重物。但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，哈迪曼自重幾乎等同于其舉重量，且穩(wěn)定性不佳，能量不足，這款外骨骼的先行者未能推廣。

圖 2 哈迪曼（Hardiman）單兵可穿戴裝備（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

但對(duì)外骨骼的技術(shù)研究一直在穩(wěn)步推進(jìn)。步入 21 世紀(jì)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DAPRA）啟動(dòng)了 " 增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼 "（EHPA）項(xiàng)目，并設(shè)置了約 5000 萬(wàn)美元的經(jīng)費(fèi)支持。加州大學(xué)伯克利分校在此資助下，完成了下肢末端外骨骼 " ( Berkeley Lower Extremity Exoskeleton，BLEEX ) 樣機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試。BLEEX 外骨骼是一種下肢外骨骼機(jī)器人，擁有兩個(gè)擬人腿，單腿有 7 個(gè)自由度，整體質(zhì)量約為 45kg，穿戴者身著此裝備，即使在負(fù)重 35kg 的情況下，仍然可以活動(dòng)自如。這款外骨骼的最大突破是在每條腿上均大量集成了不同類(lèi)型的傳感器，可以實(shí)時(shí)獲得人體的運(yùn)動(dòng)信息，并基于最小化人體交互作用設(shè)計(jì)控制策略，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，最大限度的貼合人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

BLEEX 一代奠定了外骨骼技術(shù)的發(fā)展思路，在此基礎(chǔ)上，軍用外骨骼加速發(fā)展，到 2009 年，Berkely Bionics 公司推出了第三代 BLEEX 外骨骼 "HULC"，HULC 的靈活性大大提高，使用者可以隨意完成下蹲、匍匐等戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，且最大負(fù)載提高至 90kg，最大爆發(fā)速度可提升至 16km/h。美國(guó) Sarcos 公司的 XOS 外骨骼方案同樣也是外骨骼領(lǐng)域的佼佼者，XOS 的動(dòng)作靈敏度較高，緊貼身體表面的傳感器能直接感應(yīng)到穿著者的動(dòng)作幅度和力度，電腦通過(guò)計(jì)算后實(shí)時(shí)控制相應(yīng)的液壓動(dòng)作器輸出合適的幅度和力度。據(jù) 2020 年 1 月的最新消息，最新版本 "guardian XO" 即將交付用戶(hù)，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 8 小時(shí)，可輔助舉起 90kg 的重物。

圖 3 guardian XO 的操作者輕松舉起一枚 90kg 的導(dǎo)彈（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

除了美國(guó)，其他國(guó)家也在加緊研發(fā)軍用外骨骼裝置。例如德國(guó)在研發(fā)一種可穿戴式的動(dòng)力滑翔系統(tǒng)——獅鷲翼裝 ( gryphon wingsuit ) 。俄羅斯莫斯科國(guó)立大學(xué)在俄國(guó)防部支持下，也在開(kāi)展旨在減輕軍人體力負(fù)荷的外骨骼機(jī)器人的研究，主要研究?jī)?nèi)容是加強(qiáng)裝置的腿部及腰部等負(fù)荷能力，提高雙手靈活性以及配置相匹配的防彈罩，以期在防爆反恐方面能夠有用武之地。

總的來(lái)說(shuō)，軍用外骨骼技術(shù)發(fā)展多年，發(fā)展路線(xiàn)和關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)基本明確。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要集中在減輕自重、延長(zhǎng)續(xù)航、提高輔助載重、防彈、提高智能程度等方面。其中難度最大的當(dāng)屬延長(zhǎng)續(xù)航，外骨骼裝置的初衷是為士兵小隊(duì)或獨(dú)立作戰(zhàn)提供支持，但現(xiàn)有的 4-5 小時(shí)的續(xù)航時(shí)間是不敷使用的，尤其是在滿(mǎn)負(fù)重和快速移動(dòng)的情況下，實(shí)際時(shí)間可能不到 3 小時(shí)，在儲(chǔ)能技術(shù)未得到突破之前，續(xù)航將一直是外骨骼和其他各行業(yè)的最大痛點(diǎn)。

與此同時(shí)，外骨骼技術(shù)在民品領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速，可輔助負(fù)重的外骨骼對(duì)于工廠(chǎng)企業(yè)意義重大，如 FORTIS 工業(yè)用外骨骼可為工人提供能夠?qū)⒅亓Ψ稚⑾虻孛娴谋匾?，還設(shè)置有放置工具的懸臂，能大幅度提高工作效率。而外骨骼技術(shù)在醫(yī)療、勞動(dòng)保護(hù)等方面也有應(yīng)用，如日本 Cyberdyne 公司開(kāi)發(fā)的液壓助力肢體套裝（HAL），可通過(guò)搜集人體表面的肌肉電信號(hào)對(duì)機(jī)器人傳達(dá)指令，從而幫助人行走、負(fù)重。美國(guó) Parker Hannifin 公司生產(chǎn)的 Indego 型外骨骼設(shè)備已于 2016 年獲得 FDA 批準(zhǔn)，以幫助下肢受傷的患者預(yù)后恢復(fù)。

圖 4 FORTIS 工業(yè)用外骨骼（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

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軍事小百科：在機(jī)電小型化、傳感器技術(shù)、控制算法、生物機(jī)械學(xué)等技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步的基礎(chǔ)上，外骨骼技術(shù)在近 20 年內(nèi)蓬勃發(fā)展。外骨骼設(shè)備通過(guò)采集人體機(jī)電信號(hào)能在極短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確反饋到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而跟隨人體做出一致的輔助動(dòng)作。外骨骼技術(shù)越來(lái)越多的用于民品領(lǐng)域，對(duì)體力勞動(dòng)者、老年人、行動(dòng)不便者均有重大意義。

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（來(lái)源：科普中國(guó)網(wǎng)）