機械外骨骼或稱動力外骨骼（Powered exoskeleton），是一種由鋼鐵的框架構成並且可讓人穿上的機器裝置，這個裝備可以提供額外能量來供四肢運動。別稱：強化服、動力服（Power Suit）、動力裝甲（Power armor或Powered armor）、Exoframe、Hardsuit或Exosuit等。憑藉這套“服裝”，人類就可以成為所謂的“鐵人”。
動力外骨骼更傾向于軍用，除了能夠增強人體能力的這一基本功能外，還要具有良好的防護性、對複雜環境的適應性以及輔助火力、通信、偵查支持等軍用功能。
動力服是設計成用來保護穿戴者的，例如為了保護士兵或建築工而設計，或設計用來進行救援身處險境的人員上。廣泛一些的用途則是用來做為義肢與幫助老弱者行動。其它的用途則是用來進行救援行動，就像在一棟要倒塌的建築物里，這個裝置可以提供給工人很大的力量來舉起重物，同時保護它不被落下的碎石砸傷。在日本，有銀行為需常搬運沉重鈔票及硬幣的員工配備外骨骼，以降低身體負擔。
科幻作品中也有眾多作品將動力服拿來發揮，例如《星艦戰將》中機動步兵的動力服；《鋼鐵俠》中的動力服；《浩劫殺陣》系列、《輻射》系列、《戰錘40000》《warframe》或《星海爭霸》中的太空陸戰隊身穿的動力裝甲等等。
基本介紹
- 中文名：外骨骼
- 外文名：Powered exoskeleton
- 屬性：機器裝備
- 主要用途：提供額外能量來供四肢運動
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輕量柔軟
“你可以想像一個像蜘蛛網一樣的東西緊緊的結合你的貼身褲子，”設計和建造這款機器護甲的研究小組負責人、美國哈佛大學維斯研究所機器人學研究學者康納·沃爾什（Conor Walsh）這樣說道。這套衣服並非第一款測試的機械外骨骼，儘管它可能是目前為止最舒服的。類似這種帶有堅硬的金屬和塑膠外套的外骨骼已經用於幫助癱瘓人群擺脫輪椅，但它們仍然是笨重的機器。
輕量柔軟機械外骨骼
輕量柔軟機械外骨骼這套服裝比其它人造外骨骼要更輕，因為它不包含任何堅硬的結構，主要是有專門設計的纖維織物組成。新設計的外骨骼更類似於增強者而非輔助者。它比堅硬的假肢外骨骼要更輕，重量只有7.5千克（並不包括驅動人造“肌肉”的 氣源）。同時，這套服裝依賴於人類行走時腿部的運動——它的特色在於在合適的時刻增加額外的動力或者力量。
五名健康的成年男子在進行了為期三天的適應性訓練後，對這套服裝的表現進行了測試。沃爾什表示這套服裝最初的反應讓人很困惑，一旦佩戴者適應了額外的“身體部分”，他們將享受這微妙的效益。沃爾什說道：“當你穿上它，會感覺到獲得了一些推動。當你停止穿戴它時，你會注意到不再擁有那些額外的輔助。”儘管距離實際套用和大規模製造仍很遙遠，但沃爾什表示這套服裝將在三大領域有所發展。
在軍事方面，它可以幫助士兵更快的行走並攜帶更重載重。對運動員來說它能夠成為增強性能的假肢的基礎。在康復醫學方面，對於那些因肌肉受損而無法行走的患者來說，它將成為一項突破性的治療方法。這套機器護甲需要專門定做以適應單個人的骨架和步伐，就像一輛腳踏車的車把必須調節到讓用戶舒適。在此之後，“每次穿上機器護甲，用戶感覺就像穿上一件衣服一樣簡單。” 沃爾什解釋說道。
文章
《大眾科學》
機械外骨骼阿富汗。一座隱蔽的碉堡。4個背步槍的男人守衛著一扇厚重生鏽的大門。砰！一個巨大的拳頭從裡面錘打大門。砰！猛烈的撞擊，鐵門出現凹痕。門猛烈震動，鉸鏈脫落。衛兵畏縮，後退。要從門後衝出來的東西必然是個氣急敗壞的龐然大物。
門飛開，一個金屬巨人衝出。它看似一個機器人，但是，在鐵甲內，著名的武器設計師托尼·斯塔克操縱這頭金屬怪獸。子彈被鐵甲反彈回，幾乎不留痕跡。他一拳把衛兵打倒在地，怒視周圍的敵軍營地，打開手臂上火焰噴射器，將據點燒成火海。
美國猶他州。一座秘密山地實驗室。軟體工程師雷克斯·詹姆森穿上一件金屬機械外衣。他套上鋁靴，捆緊腿上和腰間的皮帶，背上背包，手臂伸進“袖子”，握住操縱桿。看上去比穿一件外套複雜不了多少。
然後他開始移動，此時，機械外衣一下子獲得生命，配合著他的一舉一動。他舉起他的拳頭，做拳擊動作，左右腳交換著單腳跳躍，仿佛拳王阿里，雖然穿著150磅的鐵外衣，看上去卻很輕鬆。他能輕易把旁邊的程式設計師推倒在地上，或者推翻一張桌子———但是更讓人驚奇的是，他能整天這樣做。為了展示他超人般的耐力，他走向一個放槓鈴的架子，舉起負重200磅的槓鈴。然後，他又舉了一次，又一次。50下時，他放下槓鈴。從前的實驗中，他曾連續500次舉起200磅重槓鈴。最後之所以放棄，並非因為疲倦，而是厭煩。
上面描述的兩個場景一個是幻想的，一個是真實的，兩者之間的差距正在縮小。後者叫XOS，很可能是目前世界上最先進的機械外骨骼，由史蒂夫·雅各布森和他的薩科斯工程師團隊研製。薩科斯是雅各布森於1983年創建的機器人技術公司，不久前被美國國防工業巨頭雷神公司收購。至於那個使用噴火槍的鐵皮怪獸則是好萊塢新片《鋼鐵俠》的主角。該片即將於5月2日首映，根據同名超級英雄漫畫改編，主人公是一個叫托尼·斯塔克的天才發明家，他給自己造了一件機械外衣，從此獲得非凡的超能。鐵人在漫畫中生活了40多年，第一次被搬上銀幕。影片放映的時間實在再恰當不過。漫畫中神奇的機械外衣不僅僅是繪在紙上的美夢，在現實生活中第一次可以找到類似的東西。
過去7年，薩科斯的工程師開始著手實現軍隊40多年的夢想———用機械手段把士兵變成力大無窮的超人。憑藉五角大樓國防高級研究計畫署（Darpa）投資的幾百萬美元，雅各布森和他的團隊終於開始讓人工肌肉、控制系統和外衣結合。不久，這樣的機械外衣可能徹底改變士兵、漁民和殘疾人的工作生活。雖然仍然存在困難需要挑戰———比如動力問題———但是，薩科斯的XOS和穿著者配合得天衣無縫，好像合二為一，連鐵人漫畫繪製者阿迪·格拉諾夫在觀看XOS演示視頻後也驚訝萬分：“我不知道現實已經如此接近了。”除了沒有飛行工具之外，他補充說，“那就是‘鐵人’。”
從漫畫到機器
啟動計畫
1963年，當這個角色最早出現時，軍隊也在構想自己的“鐵人”。同一年，美國陸軍武器研究者謝爾蓋·扎魯德尼發表了一份報告，描述他設計的可穿戴機器外衣，它將使穿著者獲得綠巨人式的力量，但是當時還不存在實現這個構想的技術。除了少數非軍事設計外，真正超能外衣的前景渺茫，直到2000年，Darpa開始為期7年投資7500萬美元的機械外骨骼研究計畫。那時，少數機械外骨骼支持者認為———包括美國陸軍上校傑克·奧布瑟克———技術終於追趕上構想。從1995年起，奧布瑟克就協助推進外骨骼研究。他說，隨著感應器日益變得更小，功能更全面，處理器速度加快，他和其他支持者有理由相信機械外骨骼有可能成為現實。
但是Darpa野心勃勃的目標誰看了都覺得不切實。它想要一種神奇的機器，它能讓士兵連續幾天拖著幾百磅重物奔跑，卻不覺疲憊；它能讓士兵靈活操作通常需要兩人駕馭的武器；能夠背著兩名負傷的戰友輕鬆撤離戰場。他們要求這套機械外衣能附帶裝甲，讓敵人炮火對它無可奈何。他們甚至希望它能幫助士兵跳得更高。總而言之，他們想要漫畫中的鐵人。
啟動計畫前，Darpa諮詢的一些顧問立刻指出他們的構想不切實際。初期負責Darpa鐵人計畫的康沃爾大學工程師伊夫拉辛·加西亞說，“我詢問的人之中，一半對它篤信不疑，另一半認為它根本就是浪費時間、金錢和資源。”那些潑冷水的人並沒有錯，他補充說，“這確實是一項艱巨挑戰。”機械外骨骼將需要一套輕盈的動力系統，能夠連續幾天提供電能；它還需要小巧強大的人工肌肉；一套複雜的動作控制系統。它還必須行動靈敏、反應迅速。
外骨骼必須成為士兵的機械影子，能夠讀懂他的一舉一動，及時地模仿他的每個動作，即使是毫秒的遲疑也會造成負擔，讓士兵感覺像行走在水中一樣費力。這套機械外衣的感應器必須能夠以每秒幾千次的速度讀懂施加在它全身的每個輕微動作，它的微處理器必須足夠強大，能把這些數據及時轉換成指令傳送給機械四肢，使它們與內部穿著者的行動協調一致。
解決這些問題，琢磨出如何將這一系統裝進一台兼具速度、靈敏、力量、耐力的機器，需要一個像托尼·斯塔克式的天才。但是，這個人並非武器設計者，而是一個以建造機械恐龍為職業的人。
機器人大師
史蒂夫·雅各布森的簡歷豐富多彩。過去35年裡，他的作品包括一隻80噸重的機器恐龍，貝拉吉奧賭場的噴泉。可是，他本人看上去更像一位和藹可親的教授而不是科學狂人。他高個子、寬肩、腰板筆直、灰白頭髮。在介紹XOS前，他先領我去參觀他所謂的“恐怖隧道”。從外面看，很容易被人當做牙醫診所，但這個洞穴式的房間其實是薩科斯公司總部，也是猶他大學工程學院的研發部。他經常在這裡教學。雖然曾經為不少出名挑剔的顧客造機器人———他暗示迪士尼公司和美國軍方一樣苛刻———在心裡雅各布森仍然是一個學術研究者。他把自己的頭腦叫做能一起玩耍的朋友，他似乎更關心問題的解決，而不是解決方案最終的套用。經過一個會打桌球的人形機器人後，他停留在一對會唱歌的機械犀鳥面前。它們是為當地一家酒店建造的。難度在於讓它們的動作栩栩如生，宛如真鳥。他說，“我們只接我們想做的活，因為它們能引起我們的興趣。”
他侃侃而談，話題從工程學轉到節能生物系統（用胡蘿蔔為動力的人！）他的健談可能給人誤導。實際上，他是個喜歡保密的人，很少接受媒體採訪，甚至不願意泄露他的年齡。參觀的時候，他指著一個無人操作小型地面車輛（外骨骼腿部的一種新設計）興奮地講解起來。末了他叮囑我不要在文章中提到這東西。我想他的顧慮可能因為好多個項目由軍隊資助，另一方面，他也像個不願意透露太多秘密的魔術師。
薩科斯的研究項目———也包括假肢和納米馬達———似乎五花八門，毫無規律。但是，伊夫拉辛·加西亞說，正因為興趣廣博，使雅各布森成為接受外骨骼挑戰的最理想人選。他在軟體和機械工程方面都已證明自己的能力，更難得的是，他還能根據需要不斷發明新東西。“他能自己設計傳動裝置；能設計控制系統；能設計一台機器和它的所有零件。”加西亞說。這樣的全能天才絕對是設計XOS所需要的。
“設計像外骨骼一類東西時，”雅各布森說，“有25個亞系統，完成它們才能繼續下一步。雖然兩大主要設計目標是力量和耐力，但是，它還必須能幹75樣不同的事情。”在他設計的所有機器人中，XOS由於挑戰最大，問題最多，顯然是他最喜歡的作品，他視之為自己的“兒子”。“其他的都沒有如此宏偉的目標。其他的都不需要如此完備獨立的系統，不需要達到這樣的力量、速度、耐力和靈敏度。
外骨骼的誕生
2000年，薩科斯申請Darpa投資。雅各布森認為他找到了Darpa懸賞解決問題的答案。這個問題是如何讓操作者與機器人互動。為證實自己的直覺，雅各布森請公司攝影師喬恩·普萊斯和他的女兒一起幫他做個實驗。
這個實驗讓普萊斯扮演外骨骼，他的女兒扮演內部操作者。她背對父親，站到他腳上，她的腳趾壓在他的腳趾上。他們握著手幫助平衡。她開始朝前行走。普萊斯的任務就是和女兒保持同步，讓自己的腳始終保持在她腳下。幾分鐘後，他們的行動宛如一人。他女兒完全掌握決策———走多快，什麼時候轉彎———普萊斯只是一步一步地努力模仿她。
該演示向雅各布森證明，只需要幾個接觸點———比如腳和手———一台聰明的機器就能明白綁在它身上的操作者的動作意圖，並配合行動。理論雖然簡單，實踐卻相當困難。在完成XOS的過程中，雅各布森和他的小組重新設計了微型傳動裝置，改進了壓力感應器，發明了更高效的液壓閥門，甚至設計了機器人的鋁腳板。但是，被設計者叫做“掃清道路”的控制系統才是把所有零件整合一體的關鍵，是把他設計的又一個機器人提升到“超人外衣”的核心。曾親身試穿XOS的奧布瑟克完全贊同：“稍微負重，人體就很容易疲勞。”但是，XOS的控制系統讓人體負擔減輕到接近零。
正是這個控制系統使演示操作員詹姆森能連續50次舉起200磅槓鈴，心率卻不加快。當他從架子上拉下槓鈴時，手上的感應器立刻檢測到扭矩的變化。假如沒有外骨骼幫助，感應器將顯示，他每隻手試圖拉下100磅重量。但是，雅各布森解釋說，該系統的目標是讓這些感應器感受的壓力接近於零，如此才能讓XOS發揮作用。
讓這些關節以恰當的速度和力量開合則比較困難。2003年，薩科斯開始用水壓驅動傳動器做人工肌肉。這一方法並非他首創。事實上，另一位外骨骼研究者認為，XOS對水壓裝置的依賴最終將導致它的失敗。這位不願透露姓名的工程師沒有親眼見過XOS，只是在YouTube上見過一個新聞短片。他說，水壓裝置太耗電。他認為，電傳動器比較好，因為它們消耗能量與行動相符。但是，雅各布森不耐煩地反駁了這種批評。“你喜歡你的汽車剎車嗎？你是否希望你乘坐的飛機著陸系統正常工作？它們都是水壓的。”之後他又補充說，他已經解決了能量浪費問題。但是他不願解釋細節，只是說薩科斯重新設計了控制液體流動的閥門，使之只在需要的情況下才啟動，所以在機械衣運動的情況下才消耗能量。
雖然在舉重項目上令人刮目相看，XOS並沒有達到Darpa的全部目標。它不能使你騰空灌籃，不能幫你跑得更快，還不能把你變成赫拉克勒斯（大力神）。但是，奧布瑟克說，Darpa當初的目標之一就是看它開列的願望清單上是否有一項能夠實現。在3個參加該項目的團隊中（薩科斯、奧克里奇國家實驗室和加州大學伯克萊分校），XOS於2005年脫穎而出，最接近五角大樓構想的，成為美軍批准進入下一階段研究的全身外骨骼。薩科斯已經獲得陸軍1000萬美元經費，覆蓋兩年研究。
詹姆森再次穿上XOS，演示放鬆鍛鍊。我看著這套150磅重的機器外衣像影子一樣模仿他的每個動作，而它們之間只有6個關節互相接觸，想像到秒在每個感應器和中央處理器之間流動的海量數據，眼前的情景精彩程度不亞於《鋼鐵俠》影片中的特效。我幾乎忍不住構想詹姆森飛身衝破房頂。但是，這不可能發生。要衝出洞穴，首先得切斷連線XOS的電線。
競爭者
外骨骼研究者的世界狹小、秘密、不乏明爭暗鬥。雖然，可能並不了解對手裝置的工作原理，仍然會不失時機地冷嘲熱諷。最常見的攻擊方法是，“你問他打算怎么提供動力。”XOS和美國實驗室中其他兩套比較領先的外骨骼試圖從不同的角度攻克這個難題。雅各布森決定，首先建造一套相當能幹的衣服，然後再鑽研如何給它提供4至24小時動力（Darpa提出的最低動力要求）。在我所見的所有演示中，詹姆森和XOS都連線著一個水力泵，通過它從外部電源獲得電能。這套衣服可以用電池驅動，但是每次只能工作40分鐘。另外兩位外骨骼研究者———麻省理工學院的休·赫耳教授和加州大學伯克萊分校的哈馬甬·卡茲魯尼———已經開始解決動力問題。
赫耳正試圖建造一台腳力驅動的機器，儘可能節省能源———啟動時只需2瓦特，相當於便攜收音機的耗能———但卻能支持穿戴者所背負80磅重量的80%.設計由於會影響穿著者的步態，穿上後消耗能量比沒有穿時略多。但是，赫耳相信，在不久的未來，他能夠改進機械結構，讓機器最終幫助節省而不是消耗穿著者的體力。最終，他構想這套裝置被用於娛樂，周末時，人們穿著它去爬山，奔跑一天也不覺得累。如果說赫耳的構想還比較遙遠，卡茲魯尼則向我暗示，在解決動力方面，他已經走到一半。
卡茲魯尼說他的“人載重器”（HULC）下肢外骨骼可以連續工作20小時。它使穿著者能背負100磅重物，但卻少消耗15%的氧氣。
XOS最有力的競爭者也是一台醫療設備，但是位於太平洋彼岸的日本。2004年日本機器人專家山海嘉之創建了一個叫Cyberdyne的公司（和電影《終結者》中導致機器人革命的公司同名），推銷他的全身機械外骨骼HAL-5.它沒有採用XOS式的壓力感應器，而是把感應器附著到穿著者身上，接收他（她）的肌肉信號，以確定他的行動意圖。這套機械外衣的控制系統能夠學習、模仿穿著者的自然姿態。這意味著，至少需要30分鐘時間，兩者才能協調一致———不能指望一穿上就行動自如。但是，HAL-5的主要用途是康復治療輔助工具和護士的助手，所以半個小時的培訓時間不構成問題。穿上這套電池驅動的大力服後，護士們能輕鬆抱起粗壯的病人，仿佛抱小孩一樣輕鬆。山海嘉之已開始將HAL-5出租給顧客。
掙脫束縛
不幸的是，在現實世界，外骨骼充電要麻煩得多。因此，戰場上的第一個XOS甚至可能是連線電纜的。奧布瑟克構想，這個原始版本更可能是一名工兵而非戰士。連線上軍艦或軍車上的電源後，XOS可幫助一名士兵迅速從裝載重武器的直升飛機上卸貨，或者修復履帶斷裂的坦克。雖然美國陸軍希望在2009年前，在戰場上實驗有線版的XOS，雅各布森和同事們仍在緊張研製自帶電力版。
今年夏天，薩科斯將和一家引擎設計公司合作，開發一台能夠連續幾小時給XOS供電的發動機。此外，雅各布森不願透露更多。他更願意談論另一個更有意思的挑戰———與其建造強大發動機，不如減少XOS的能源胃口。
雅各布森給我演示了一台新的節省能量的機械腿，它模仿人腿驅動方式設計。行走時，我們的髖部產生了最大部分能量，當腿超前邁時，膝蓋和其部位的小肌肉完全放鬆，確保我們的腳落到地面理想的位置。這種自由擺動技巧相當節省能量。卡茲魯尼和赫耳已經把它設計進各自的下肢外骨骼中。雅各布森正將它設計進未來版本的XOS.“下一步，”他說，也許在幾年後，“將實現用1至3馬力實現行走的目標。”此時只需要一個便攜電池組就能提供持久動力。
雅各布森把今天的版本看成一個基礎模型，最終它將改造成各種版本，執行不同任務，無論是在醫院裡還是戰場上。未來的模型甚至可能完全自動。“你走出去，告訴它，‘你自己走去那幢大樓吧，因為我懶得走’。”
後來，走過薩科斯公司大廳時，我看見平板電視上正放映用卡通片描繪的未來XOS.在一個片段中，穿著XOS的士兵肩扛飛彈，飛身跳過高牆，甚至能做優雅的後空翻。雖然包裹在機械骨骼中，他們看上去像橄欖球側衛一樣靈活。他們看上去像鐵人。
