如何打造一件鋼鐵戰衣

顏慧

看過好萊塢電影《鋼鐵俠》的觀眾一定對鋼鐵俠的金屬動力服印象深刻。鋼鐵俠戰衣的動力核心是胸口的鈀核心微電弧反應堆。這種反應堆不但能夠驅動動力服在地面行動，而且可以驅動鋼鐵俠腳底下的離子發動機讓其上天入海，甚至在手中凝聚成離子炮進行攻擊。按照電影中的情節估算，鋼鐵俠動力服的反應堆每秒能產生大約30億焦耳的能量，堪稱發動機中的神器。在現實世界中，與之類似的單兵外骨骼技術已經在21世紀初取得了關鍵性突破，其實際應用前景也已受到多方的關注。

外骨骼是什么

外骨骼，全稱動力外骨骼或動力服，由骨骼模樣的框架組成，是可以讓人穿上的機器。這個裝備通過外置發動機、電池或者液壓系統為人體提供額外能量供四肢運動，以增強穿戴者的力量和耐久力。

最早的外骨骼可以追溯到19世紀末。1890年，一位名為尼古拉斯·亞根的俄羅斯人發明了一種用壓縮空氣包作為動力的類外骨骼系統。1917年，美國發明家則開發了一種以蒸汽為動力的外骨骼。

但真正意義上的外骨骼動力服是1960年通用電氣公司與美國軍隊共同開發的，當時命名為“哈迪曼”。通過液壓和電機驅動結構，配合力覺反饋感應系統，穿戴者穿著這套裝備舉起150千克的物體就像舉起6千克的物體一樣輕松。這一切看似完美，但整機重達680千克的裝備根本無法讓穿戴者自如行走，而且系統反應速度極慢，穿上它每秒只能走76厘米，只有平常人正常步速的一半，最終被改裝成機械臂。

在經歷了20世紀60年代的笨重之后，外骨骼在1986年后進入快速發展階段。當時，一位名叫蒙蒂·里德的美國人設計了一種叫“生命服”的外骨骼系統。蒙蒂曾是美國陸軍游騎兵特種部隊的士兵，但他在跳傘訓練中背部受傷。蒙蒂在醫院恢復過程中，從著名的科幻小說《星河戰隊》中“機動士兵動力服”的概念獲得靈感，隨后開發出了這一系統。 2001年，“生命服”1號誕生。2005年，“生命服”12號創造了外骨骼步行的世界紀錄—90分鐘走完5.4千米，和正常人步行速度基本一致。現在，“生命服”已經發展到14號，一次充電能夠走1.6千米、搬運92千克物品。

目前，世界上各種生產或正在研制的外骨骼型號有15個以上。除了美國以外，日本、韓國、歐洲也有很多企業和大學投入到外骨骼系統的研制。尤其是人口老齡化和低生育率問題異常嚴重的日本，對外骨骼技術有著異乎尋常的興趣。日本佐川電子在2013年7月曾推出世界上第一臺商用化外骨骼動力服，價格約合90萬人民幣，全球限量5臺。

世界各國的超級鋼鐵俠外衣

一般的單兵外骨骼系統包含六大部件：仿形機械結構裝置、智能感應裝置、控制系統、通信計算系統、執行機構和能源系統。工作原理一般是：系統通過在人體和外骨骼上的傳感器感應人的運動信息、力學信息和生理信息。計算機負責處理各類信息，并通過預測和感知算法感知人體姿態、運動趨勢和人與外骨骼之間的耦合度，控制系統將這些參數轉換為控制參數，令能源系統驅動執行機構動作，實現輔助作用。

世界各國研發單兵外骨骼系統的根本目的就是提升單兵的戰斗力。一是增強打擊能力。士兵能攜帶更多、火力更大的武器裝備，可以大幅提高單兵打擊能力。由于大部分人能夠拿起和攜帶的重量有限，過重的單兵裝備會把士兵壓垮，因此，借助外骨骼系統，士兵可以攜帶更多的裝備和給養，進而提高士兵的戰斗力。二是提高防護能力。由于外骨骼系統的承載能力遠超人體，可以在其上加裝適合單兵的復合材料裝甲，將單兵防護提高到一個新的水平。三是提高機動能力。普通人走路的時速為6～10千米，但是士兵通常要攜帶很重的軍需品，很難快速行進。外骨骼系統前后皆可負重，且可以提高士兵在水平地面的行進速度并持續最大速度，這將大大提高單兵的機動能力。四是提高戰場感知能力。外骨骼系統可以加裝傳感器系統，以加強士兵的戰場態勢感知能力；還可以加裝衛星通信和定位裝置，讓每個士兵都成為一個網絡通信節點，指揮部可以清楚知道每個士兵目前所在的位置。

美國的“人體負重外骨骼”（HULC）是典型的單兵外骨骼系統。該項目由洛克希德·馬丁公司（以下稱洛馬公司）研制，它是一種模仿人體結構特點設計的外骨骼裝置，采用電池供電和液壓驅動，利用單一電池充電器便能夠使穿戴者背負約91千克的重物在全地形條件下步行20千米。穿戴人體負重外骨骼后，士兵能夠完成爬行、深蹲、行走和上半身提舉重物等一系列動作。人體負重外骨骼配有先進的微型計算機，以便與士兵的動作保持一致。人體負重外骨骼既可提高士兵的持久作戰能力，又可降低士兵受傷的風險。

美國士兵經常負載過重的戰斗載荷，這就增加了對身體的壓力，容易導致精疲力竭。HULC可以把這種重量通過電池驅動的鈦金屬肢體轉移到地面上。先進的便攜式微型計算機可以使得這種外骨骼與士兵們的運動保持協調一致。HULC的這種完全非捆綁式、液壓驅動的人形外骨骼使得士兵們的行動坐臥毫不費力。

此外，洛馬公司還研制了FORTIS膝減壓裝置，這是一個剛性支撐架，不需要電力，甚至可以幫助工廠和船廠工人搬運笨重的工具，減少其疲勞感。穿戴者可以自由活動，只需經過15分鐘的培訓就可以掌握使用技巧，有的甚至不用培訓直接就能使用。在測試中，穿戴者負重可達84千克，完成蹲起次數平均超過50次。前海軍項目承包商、洛馬公司產品經理基思·麥斯威爾說：“它真的可以推你上樓梯，讓你爬得更快，感覺不那么累。”麥斯威爾稱，在15度的斜坡上，該裝置也能降低人類的能量消耗，“凈代謝成本”只有約9%。

法國的“大力神”也是一種先進的可穿戴式外骨骼系統。該系統由法國武器裝備總署制定，法國多家公司目前正在研制這種能夠幫助穿戴者運送較重載荷的外骨骼。“大力神”外骨骼主要由機械腿（結合機械裝置、計算機和電子裝置）和背部支撐架組成，使穿戴者能夠輕松背負重物。該外骨骼不久后還將配裝機械臂，以使穿戴者能夠搬運重物。

“大力神”外骨骼的獨特之處在于不采用無線電控制，能夠自動探測到肢體運動，隨后根據執行意圖代替穿戴者執行這一動作。“大力神”外骨骼還具備出色的性能和密實度。它可攜帶100千克重物，其電池可使穿戴者以4千米/小時的速度行進大約20千米。其應用范圍十分廣泛，包括幫助消防隊員、特種部隊和步兵將重物運送至目的地、在醫療領域為殘疾患者提供幫助、在建筑和后勤領域用于運送重物等。

俄羅斯的單兵外骨骼裝備研發也不甘于人后。最新裝備名為“21-戰士”，重量為22千克。目前，俄軍士兵配備的單兵裝備為36千克，極大超過士兵身體負重標準。第二代俄軍裝備將整合攻擊、防御、操控、生存和能源補給等功能。“21-戰士”項目預計花費3500萬美元，而美國的同類項目將投入15億美元。此外，由莫斯科國立大學研究的旨在減輕軍人體力負荷的機械結構外部骨骼近期在俄羅斯國防部的評估中獲得了好評。目前，俄羅斯的外骨骼主要還是加強了腿部及腰部等負荷能力，雙手的靈活性得到了保留并配置了防彈罩。從最終效果圖看，兩臂力量的加強是今后研制的重點。

研制難點及未來發展趨勢

電影中的鋼鐵俠戰衣被評論為“機械設計水平變態、材料變態、控制系統變態、能量更是變態”。這幾個方面，恰恰也是外骨骼系統研制面臨的主要難點。

首先是制作材料。早期的外骨骼是用鋼和鋁金屬制作的，但系統自重過大，使外骨骼的動力在驅動人體之外還要克服自重。因此現在的研制者都在想辦法降低自重，多使用復合材料、鈦合金等輕質材料以使能量效率更高。

其次是動作裝置。正是這一部分讓士兵獲得更大力量。以前，液壓動力筒因其動力輸出較大、動作執行準確獲得青睞，但缺點是重量過大，而且液壓裝置有可能泄漏。現在“動作裝置”研發的重點轉向小型或微型的永磁伺服馬達。這種伺服馬達能夠組裝成微小的組件來實現大力矩和高響應度的運動。

第三是關節的靈活度。這涉及到外骨骼能否完成更多的戰術動作，例如匍匐、跳躍等。這些動作對于人體關節來說輕而易舉，但對于模仿人體關節的外骨骼來說，難度就較大了。尤其是人體肩關節、胯關節、脊柱等部位，都是外骨骼模仿的難點。目前主流的外骨骼都是沿著人體的肩部、胯部和膝蓋，設置外部球形接頭，然后通過平行的連接桿實現連接。但在運動時，這些外部的人造關節和連接桿往往與人體的貼合度發生錯位。這樣的外骨骼系統雖然不干擾步行，但對使用者的彎腰仍有較大影響。

第四是控制系統。良好的外骨骼系統應該有一套精密的計算機人工智能控制系統，以控制外骨骼對人體的動作進行響應。如果響應速度過慢，動作效率低；響應速度過快，則有可能給使用者帶來傷害。由于人體不同關節動作速度有快有慢，因此外骨骼控制系統也必須能協調速度，讓使用者感到外骨骼是一種助力而不是阻力。先進的控制系統能夠發現并阻止使用者的錯誤動作，例如摔倒，這對于本身行動不便的傷殘人士很重要。

最后是電源動力。像鋼鐵俠那樣擁有無所不能的反應堆，僅是電影中的幻想，現有動力輸出較強的內燃機由于噪聲、隔熱等問題無法應用。因此，現在主流外骨骼系統均使用電池來驅動電動機。高容量的燃料電池是目前研究的重點，但也只能勉強滿足需要。有些專家則設想，未來可以對外骨骼使用無線電能傳輸。

當前，動力外骨骼系統作為單兵裝備領域的新發展點，得到了各軍事大國的普遍重視。雖然軍方不能期待單兵外骨骼能讓士兵成為鋼鐵俠，但一個“士兵背負上百千克裝備、在高原山間健步如飛”的場景有著十足的吸引力。不過，想要實現這一目標還有不少困難。以美軍為例，在研制出幾種單兵外骨骼系統后，還沒有一種在戰場上投入測試。因此，就目前技術發展看，單兵外骨骼系統很可能優先應用在非戰斗領域，例如后勤運輸、場站維護、裝備修理等需要士兵進行大體力搬運的場合，以緩解士兵們的工作強度。