國外軍用助力外骨骼裝備發展路線

王新蕊 范宇翔 劉鈺

外骨骼是一種為生物提供保護和支撐的堅硬外部結構。軍用助力外骨骼就是模仿生物外骨骼，融合了機械、電子、傳感器、智能控制、傳動及能源等技術，根據人體結構特點設計的外置動力機械裝置，可穿戴在士兵身上，直接與肌肉骨骼系統相互作用，能擴充或增強人體的生理機能，賦予士兵部分或全部生物外骨骼所具備的支撐、保護、運動以及環境感知等功能，提高士兵的承載能力、行進速度和越障能力，大幅提升士兵的承載攜行能力和搬移托舉能力，具有可穿戴、易操作、高機動、智能化等特征，在單兵負載、越野機動、搬運物資、裝卸炮彈、工程作業、使用重型維護工具等方面均能發揮重要作用。

初始概念——科學幻想

外骨骼并非近年來才有的新事物，其起源可以追溯到19世紀。有趣的是，它并非源于發明家，而是出自英國插畫師羅伯特·西摩在1830年所繪的一幅插畫，畫中人物被安裝了一個以蒸汽為動力的輔助行走裝置。這一畫作啟發了無數科學工作者。1917年，美國發明家萊斯利·凱利率先實現了羅伯特·西摩的蒸汽動力輔助行走裝置。但由于在實際使用時穿戴者必須背著一臺小型蒸汽機，且裝置無法完美地隨人體完成復雜的結構變形，此項發明最終被擱淺。

美國科幻小說家羅伯特·海因萊因1959年出版的著名科幻小說《星船傘兵》中提出了“動力裝甲”這一科幻概念，可以看作機械骨骼的雛形。在詹姆斯·卡梅隆1986年導演的電影《異形2》中有一個場景，蕾普莉中尉借助一種稱為“動力裝載機”的獨特裝置與怪物進行殊死搏斗。這些科幻小說和電影給了軍事科技人員很大的啟發，研究人員希望能夠研制出真正大大提高單兵作戰能力的輔助技術裝備。

最早開始研究機械骨骼這項技術的主要是美國和日本。就用途來看，美國在機械骨骼上的發展是圍繞軍事用途展開的，日本則努力以商業用途開發機械骨骼，特別是幫助殘疾人和老年人進行日常活動，如散步、爬樓梯、負載等。

1960年代

1960年，通用電氣公司研制出一種名為“哈迪曼”（Hardiman）的可穿戴單兵裝備，采用液壓電機驅動。該公司第一個提出并開展增強人體機能的主動助力型機械骨骼機器研究。“哈迪曼”能把穿戴者的力量放大25倍，不過限于當時的技術水平，其機械骨骼體積巨大且笨重，安全性能低，也只能取代單只手功能。

1970年代

1978年，麻省理工學院研究了“增強人體機能的機械骨骼”，負重問題有所改善，但其驅動能源與便攜式問題尚未解決，沒有完整的成果問世。

1990年代

1991年，日本神納川理工學院開發了一套獨立的可穿戴助力外套，稱為“動力輔助服”，該產品使用肌肉壓力傳感器，分析佩戴者的運動情況，通過微型氣泵、便攜式鎳鎘電池及嵌入式微處理器，提供足夠的助力。該產品專為護士研制，可使人的力量增加近1倍。

實用探索——目標挑戰

美國在機械骨骼實用探索方面的研究走在了世界前列，五角大樓認為，未來單兵系統應當全面實現機械化和自動機器人化。2000年，美國國防部制定了“增強人體機能的外骨骼”項目的計劃，責成國防高級研究計劃局（DARPA）負責，撥款7 500萬美元從事該項目的研究。該計劃旨在研制出一種可穿戴骨骼，幫助負重的士兵輕松行走，以提高部隊的機動能力和戰斗能力。未來士兵裝備外骨骼后，將成為一名超級士兵，擁有巨大的力量，可攜載更多的武器裝備，火力威力得到增強，防護水平也得以提高，同時可克服任何障礙，高速前進，還不會產生疲勞感。

研究目標

DARPA外骨骼計劃的目標是讓普通士兵變成可以跳過較高物體并能高速奔跑的超級士兵。該計劃現在仍處于研制階段，所以這些助力外骨骼的具體細節不是非常清晰。不過，DARPA已經制定了實現的目標——

增強力量 士兵將能夠攜帶更多武器和軍需品。通過增強力量，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，極大提升防護能力。

提高速度 普通人走路的時速為6～10km，但是士兵通常還要在背包里攜帶重達約70kg的軍需品，背負如此多的重物，軍隊也難以很快行進。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16km。

跳得更高更遠 現在還不清楚穿上機械套裝將能夠跳多遠、跳多高，但是軍方希望這種機械裝置能夠幫助士兵跳過一般障礙物。

研究挑戰

DARPA不是第一個嘗試建造外骨骼機械套裝的組織。如前所述，通用電氣公司在1960年代便開發了稱為“哈迪曼”的液壓和電動套裝。該套裝的問題是太過笨重（接近700kg），根本不實用。當今天有了更先進的材料，例如可用于建造更現代化的外骨骼的碳化纖維和其他材料，套裝的笨重問題應該可以解決。然而，該項目依然存在很大挑戰。

若要使外骨骼發揮作用，必須綜合考慮5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——

構造材料 外骨骼必須用堅韌、輕質且有彈性的復合材料制成。這類材料自身還必須能夠抵御敵方火力，以保護穿用者。

能量源 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于背挎。

控制 機械骨骼的控制必須是無縫的。使用者穿上后必須能夠正常活動。

促動 設計者必須使機械骨骼能夠順暢移動，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。

生物機械學 外骨骼必須能夠左右和前后移動，就像人在戰場中那樣行進。如果它沒有這種能力，則穿用這種裝置的士兵就可能處于極其危險的境地。機械骨骼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制的最復雜的機器之一，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并對其做出反應。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涌現。

研究發展

在美國“增強人體機能的外骨骼”計劃的可穿戴助力外骨骼研制方面，單個可穿戴助力外骨骼組件的研究已取得快速進展。從事可穿戴助力外骨骼研制項目的單位主要有加利福尼亞大學伯克利分校機器人和人體工程試驗室、薩克斯（SARCOS）公司、美國橡樹嶺國家試驗室、鹽湖城人體機能研究所和“千年噴氣機”公司等。

美國外骨骼發展主要有兩條技術路線，其一是第一代伯克利（BLEEX）下肢末端外骨骼——第二代BLEEX即ExoHiker和Exoclimber——第三代HULC。隨后在2009年，HULC項目被美國洛克希德·馬丁公司收購，進行了多次試驗和改進；另一條路線是雷神公司的Sarcos XOS外骨骼——Sarcos XOS 2外骨骼。

伯克利下肢末端外骨骼（BLEEX）

伯克利大學機器人和人體工程試驗室負責的美軍“伯克利下肢末端外骨骼”項目已經成熟。這套裝置由背包式外架、金屬腿及相應動力設備組成，使用背包中的液壓傳動系統和箱式微型傳感儀作為液壓泵的能量來源，其每條腿有7個自由度，髖關節和膝關節的屈曲/伸展由液壓驅動。第二代BLEEX在零部件微型化方面很有成效，所有電子線路和許多機械部件都容納在金屬管內，其兩個型號的參數差別較大，這是由于其應用目的、髖關節驅動方式不同造成的。其中，ExoHiker的髖關節采用的是氣彈簧被動助力，主要用于長距離負重行走任務； 而Exoclimber是在ExoHiker基礎上進行了改進，增加了髖關節液壓缸主動助力，用于長距離負重上下樓梯、上下坡。

“人體負重外骨骼”（簡稱HULC）屬于第三代BLEEX，系統自身質量為24kg（不含電池），最大負重可以達到91kg，搭載兩塊總質量3.6kg的鋰聚合電池（后續準備研發燃料電池供電系統，工作時間增加到72h） ，可保證穿戴者以4.8km/h的速度持續行進2小時；在無負載的情況下，沖刺速度可達16km/h。HULC身體上半部分的承載部位可以按照需求進行配置。目前選項有抓起炮彈的抓鉤、抓起重型槍械的特制吊鉤等，也可以根據軍方的要求專門設計承載裝置。HULC的高度可以調節，使身高1.6～1.85m的士兵都可以穿戴，而且非常方便。穿戴時，士兵只需將腿伸進靴子下方的足床，而后用皮帶綁住腿部、腰部以及肩部即可。脫下“金屬骨骼”也很容易，只需30秒。

HULC充分采用模塊化的設計理念，即機械腿和背部的托盤可以分開，如果不需要背負重物，則可以將托盤取下，以進一步減輕重量。

雷神公司Sarcos XOS

美國國防部高級研究計劃局提供了1 000萬美元的軍事研究預算，雷神公司經過7年秘密研發出來的XOS可穿戴助力外骨骼是目前最為先進的全身式外骨骼，代表了機械外骨骼領域最尖端的技術。

XOS自身質量68kg，配備較多的傳感器，如角辨向器、肌電傳感器、地面傳感器等，所有動力驅動、測量系統、計算機、無線網絡和動力供應設備都裝在背包中，電池掛在腰部，是一個可佩戴的混合控制系統，根據生理反饋和前饋原理研制的動力輔助控制器可以調整人的姿態，使其感到舒適。穿戴外骨骼系統的使用者靠感應器和電子集成板隨心所欲地控制這些機器，驅動方式為液壓+纜線拉動，它可以毫不延遲地反應身體的動作，輸出強大的力量，用負重9kg的力量舉起90kg的重物，并且能連續舉50～500次。XOS證明了機械骨骼能像人體一樣自由地運動。但XOS有一個重大缺陷，自帶的電池只能使用40分鐘，需要拖著一條電線隨時充電。

2010年，雷神公司收購了SARCOS公司之后，推出升級版XOS 2。XOS 2在結構上是全身式助力外骨骼，采用液壓+纜線的驅動方式。相比它的前一代，XOS 2在樣機工程化上有很大進步，質量更小、速度更快，奔跑時速為4.8km/h，耗電量降低了50%。借助于XOS 2，穿戴者可輕松將90kg重的重物舉起幾百次而不會感到疲勞，此外還可重復擊穿7.6cm厚的木板。目前，XOS 2主要有兩種型號：一種是戰斗型，增加了雙臂助力，只包括外骨骼的腿部和腰部附件，與HULC類似；另一種是后勤型，具備完整的身形。雖然目前美軍的外骨骼裝備研制主要針對后勤用途，但是考慮到其潛在的能力巨大，不排除其在將來成為單兵武器平臺的可能性。

雷神公司已經在設計第三代XOS 3動力盔甲系統，盔甲由模塊化鋁合金和復合材料制成，液壓管路統統遮蔽在內部，從而大大提高人員和系統的生存力。

發展路徑——軟硬之爭

近年來，美國、法國等國陸續啟動了多個軍用外骨骼項目，以增強士兵的作戰能力，同時緩解士兵運動疲勞。美軍在提升單兵負重、機動等能力方面技術領先、成果顯著。在之前研究的基礎之上，已先后推出Fortis外骨骼、戰術突擊輕甲（TALOS）外骨骼、勇士織衣等多款產品，法國也致力于研制其第四代“大力神”外骨骼。同時，以色列、韓國、俄羅斯、英國、法國、意大利、荷蘭以及澳大利亞等國也都有相應的軍用產品問世，部分國家已形成原理樣機并開展了部隊試用與試驗。

隨著外骨骼研究的深入發展，其逐步形成了兩種發展路徑——剛性外骨骼和柔性外骨骼。剛性外骨骼主要是模仿人體骨骼，借助機械的力量大幅提升士兵負重能力；柔性外骨骼通過模擬人體肌肉作用原理，讓人與外骨骼交互協同，而其輔助動力有限，其作用是在一定程度上緩解士兵的運動疲勞，降低損傷概率。總之，無論剛性外骨骼還是柔性外骨骼，其最終目標都是用于提升人體力量與速度。

剛性外骨骼

剛性外骨骼的設計理念來自對人體骨骼的仿生，采用剛性連接桿與肢體并聯，對關節施加力矩，目的是代替人的骨骼和關節來跑跳和負重。目前最具代表性的產品是美特戰司令部與國防高級研究計劃局合作的“戰術突擊輕甲”（TALOS），其具有以下特點：一是融合了傳感、控制、信息耦合、移動計算等綜合技術，主要通過液壓驅動仿生外骨骼模擬人體動作，在穿戴時能智能分配重量，減輕負重對身體的影響。二是采用低成本工藝技術。目前研發團隊已經使用3D打印技術造出了多達800個碳纖維外骨骼組件，降低了TALOS的研發成本，三是應用輕量化材料。TALOS外骨骼采用鈦合金材料制成，質量更輕，強度更高。四是防護能力高。TALOS所使用的26片外骨骼裝甲主要提供胸、背以及頭部的防彈能力。未來TALOS將現有的18%防護面積提升到60%，對士兵的防護效能提升到更高的層次。

柔性外骨骼

柔性外骨骼類似于智能作戰服，無論感知還是執行機構都充分考慮人體的柔性特征，通過感知生理信號預判人體動作。由美國國防高級研究計劃局投資研制的“勇士織衣”是這類產品的典型代表。目前，在美國國防高級研究計劃局支持下，哈佛大學懷斯（Wyss）生物工程研究所、SRI國際公司分別推出了各自的“勇士織衣”樣服，即“超柔”（SuperFlex）外骨骼和“柔性外骨骼服”（Soft Exosuit），兩種“勇士織衣”具有以下特點：一是集成創新性強。SRI公司的“超柔”外骨骼，集成了柔性支架（Flex Grip）、柔性驅動（Flex Drive）、柔性控制（Flex Control）系統以及e-Flex電控系統等新系統，其中，e-Flex電控系統是一種剛度可變的輕型電控彈簧，能夠存儲能量，并限制運動范圍，避免人體損傷或疲勞。二是應用能源調節技術。傳感器可預知穿戴者的運動，能在精確的時間內根據需求啟動外骨骼，與始終需要啟動或驅動的外骨骼相比，電池使用壽命更久。三是采用全柔性結構技術。哈佛大學懷斯生物工程研究所研制的“柔性外骨骼服”（Soft Exosuit）采用大量織帶，可以包裹穿戴者的腰部和腿部，具有通過提升生物肌肉潛力改善步態的作用。四是能耗大幅降低。經過5年的設計與測試，目前已完成了15套“勇士織衣”樣衣的試驗室與室外測試，取得了減少10%體能消耗的重大成果，下一步目標為減少25%的體能消耗。