動力外骨骼

動力外骨骼，最初出現在科幻小說中的機械及電子設備，是一種能夠增強人體能力的可穿戴機器。它能夠幫助人們跑得更快、跳得更高、能夠攜帶更多更重的東西，並且幫助穿戴它的人在戰場、建築工地或者其它有危險的地方生存下來。這項技術已經有二十多年的歷史，但是出於技術原因，這些裝置現在還沒有廣泛套用，只在實驗室或者試驗場裡閃閃發亮。

基本介紹

• 中文名：動力外骨骼
• 外文名：Powered Exoskeleton
• 屬性：科技名詞
• 研發時間：1960年
• 研發機構：通用電氣
• 基本含義：一種機械及電子設備名稱

工作原理

動力外骨骼通過感測器來收集使用者的活動信息，這些信息傳遞給信息處理器進行處理，然後啟動相應的機械部件來輸出能量。在動力外骨骼中可以使用的感測器種類很多，包括角辨向器、肌電感測器、地面感測器、肌肉壓力感測器等等。同樣，用於輸出的機械系統也有很多選擇，目前液壓系統和氣壓系統是比較常見的。

在某些意義上，動力外骨骼可能比《終結者》中的T600那樣的機器人更複雜。動力外骨骼需要在極短的時間內判斷出使用者的動作意圖，並且給予恰如其分的幫助。現在最成熟的軍用動力外骨骼採用肌肉壓力感測器來收集用戶動作。當人彎曲手肘時，上臂的肌肉纖維組織會緊靠在一起，從而牽動肌鍵運動，直觀表現就是肌肉隆起。在動力外骨骼與皮膚接觸的肌肉壓力感測器收集肌肉收緊的強度和方向，從而感應到操縱者的動作意圖。它會把收集得到的數據資料傳達給信息處理器——這是一個安裝在背部的“背包”，可以看成一台電腦——信息處理器計算如何移動外骨骼讓使用者用力最小，然後再把指令傳遞到相關的關節，通過關節內部的液壓機構傳動裝置產生精確的力量，從而做到與人的動作同步。當然，實際上還是有一點時滯的，但是時滯被控制在無法察覺的程度。在現代信息技術的幫助下，動力外骨骼以每秒數千次的速度調整全身每一個關節，讓使用者幾乎察覺不到它的存在。

發展歷程

早在1960年，通用電氣就開始了機械外骨骼的研究，但是當時他們開發的設備只有一隻手。麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）從1978年也開始了研究，但是目前看起來比較有希望的是一家坐落在鹽湖城的公司。這家叫做Sarcos的公司在1983年就開始了這方面的探索，公司創始人史蒂芬·雅克布森（Stephen Jocabsen）親切地叫它XOS。2000年XOS從14個類似的裝備中脫穎而出，被美國國防部高級研究計畫署——就是這個機構發明了網際網路——選中，並且把打算它套用在軍隊中。這項研究在高級研究計畫署的資金支持下開始迅速發展，後來Sarcos被美國一家國防部承包商雷神（Raytheon）公司收購，有望能在2008年推出成品，並且在2009年進行戰場實驗。

動力外骨骼

除了軍方外，動力外骨骼在民用領域也大有可為。日本筑波大學的機器人專家三階吉行和他的同事們在2004年創建了一個叫做“Cyberdyne”的公司，開始把他們花了十年時間研製的動力外骨骼推向市場。這種動力外骨骼叫做HAL，是人體輔助義肢（Hybrid Assistive Limb）的縮寫，主要用於醫療領域，幫助殘障者行動和傷患復健，以及為護士們助力。現在已經有了上市的產品，當然，和軍用標準相距甚遠。

現在，美國國防部研究計畫署（DARPA）投資五千萬美元為地面部隊開發外骨骼套裝。這種可穿戴的機器人系統可以使士兵能夠跑得更快、攜帶更重的武器以及跳過較大的障礙物。外骨骼在非軍事領域的套用潛力同樣十分巨大。2000年，DARPA徵求人體能力增強系統的建議書，很快將會簽約並開始外骨骼的開發。軍方機構稱，對這種新技術的測試至少要在十年之後才能進行，而要士兵能夠穿上這些身體加強系統參加戰鬥，則可以需要更長的時間。根據預測，這些外骨骼系統能夠提高士兵的力量和速度，而且還能通過內置的計算機輔助士兵在國外領土行軍。但是，這種系統仍存在一些問題，包括如何為這些機器提供能量，它們將如何回響人體動作等。

研究計畫

DARPA外骨骼計畫的目標是讓普通士兵變成可以跳過較高物體和高速奔跑的超級士兵。該計畫現在仍處於初期階段，所以這些可穿戴機器的具體細節仍然非常模糊。不過DARPA已經為這些可穿戴機器確定了一些可以期待的東西。下面是研究人員期望外骨骼在士兵身上實現的目標。

1、增大力量：士兵將能夠攜帶更多的武器和軍需品。通過增大力量，士兵還將能夠在行軍時移走途中的大障礙物。它還將使士兵能夠穿上較重的身體護甲和其他防彈護具。20世紀60年代，通用電氣公司(GE)與美國軍方合作開發了一個外骨骼，稱為Hardiman。它使得舉起120公斤的重物就像舉起5公斤重物那樣輕鬆。

2、提高速度：普通人走路的時速為6至10公里，但是士兵通常還要在背包里攜帶重達約70公斤的軍需品。在背負如此多的重物時，即使是條件最好的軍隊也難以很快行進。現在還不確定DARPA的外骨骼將能夠走多快。不過測試表明，一種獨立開發的身體放大器彈簧行走器的時速可超過16公里。

3、跳得更高和更遠：現在還不清楚穿上機械套裝將能夠跳多遠和跳多高，但是軍方希望這種機器能夠幫助士兵跳過降低行軍速度的一般障礙物。

總的來說，士兵在不可預測的地形中長距離行軍時，此裝備可提高自己的耐久性。藉助增大的力量，他們還將能夠修復憑人體自身力量難以修復的重型設備。專家認為，由於增加了身體護甲，傷亡人數將變得更少。這些外骨骼機器還將配備感測器和全球定位系統(GPS)接收器。利用這一技術，士兵可以了解有關他們正在穿越的地形的信息，從而找出行進到指定位置的最佳路線。DARPA還在開發與外骨骼配套使用的計算機化織物，用於監視士兵的心率和呼吸率。

動力外骨骼

如果研製順利，美國軍隊將普遍配備這些外骨骼，屆時將出現大量可以跳得更高、跑得更快以及能舉起巨大重量的超級士兵。然而，預期開發這些設備需要數年甚至數十年。在下一部分中，你將了解負責開發這些外骨骼的研究人員所面臨的一些障礙。

技術挑戰

DARPA不是第一個嘗試建造外骨骼機械套裝的組織。如前所述，GE在20世紀60年代便開發了稱為Hardiman的液壓和電動套裝。該套裝的問題是，它太過笨重（接近700公斤），根本不實用。今天有了更先進的材料，例如可用於建造更現代化的外骨骼的碳化纖維和其他材料。然而，該項目也並非沒有挑戰。

動力外骨骼

若要使外骨骼機器發揮作用，必須綜合考慮五種因素：結構、能量、控制、促動和生物機械學。每種因素都有自己的一系列挑戰。下面是DARPA概括的一些挑戰：

1、構造材料：外骨骼必須用堅韌、輕質且有彈性的複合材料製成。該材料自身還必須能夠抵禦敵方火力，以保護穿用者。

2、能量源：這些限制主要來自於能源——現在所使用的能源裝置實在是有點支持不了動力外骨骼的能量消耗。補給能量之前，外骨骼具有的能量必須足以支持24小時。此外，產生能量的裝置必須便於背挎。對於外骨骼研製者而言，創造出零噪音機器可能是最困難的一項任務。

3、控制：機器的控制必須是無縫的。使用者在穿上該設備後必須能夠正常活動。

4、促動：設計者必須使機器能夠順暢移動，以便穿用者不會太笨拙。與發動機一樣，促動器也必須安靜而高效。

5、生物機械學：外骨骼必須能夠左右和前後移動，就像人在戰場中那樣行進。如果它沒有這種能力，則穿用該套裝的士兵就可能處於極其危險的境地。開發者設計的結構必須像人體一樣帶有可彎曲的關節。

軍用外骨骼將是人類研製的最複雜的機器之一，它還能促進機器人的開發，令機器人更像人類。外骨骼必須能夠感應人體活動並對其做出反應。它們還必須能夠將來自能量源的能量轉換為可用的促動能量，以輔助穿用者開展活動。擺在開發者面前的挑戰是巨大的，為了開發出這種外骨骼，新的設備和發明也將不斷湧現。