佟鑫

現(xiàn)今，已有多種外骨骼動力系統(tǒng)問世，這些外骨骼系統(tǒng)受自然界生物的影響，均為硬式外殼，不過，因種種缺陷，外骨骼系統(tǒng)尚未真正進入實用階段。而美國國防高級研究計劃局（Defense Advance Research Projects Agency ，DARPA）認為，外骨骼系統(tǒng)并不只有硬式外殼這一種方向，因此便啟動了名為“勇士織衣”（Warrior Web）的軟式動力裝置計劃。該計劃在2016年已經(jīng)取得了重大進展，并可能改變未來十年的士兵樣貌——

“勇士織衣”軟式動力裝置在近期取得了重大進展，很可能改變10年后的士兵樣貌

外骨骼系統(tǒng)研究歷程

及近年成果

在自然界中，外骨骼基本上是由甲殼素所組成，例如昆蟲、節(jié)肢動物的骨骼等，而動力來源則是附著于外骨骼內(nèi)部的肌肉。外骨骼可對生物本身形成支撐性，同時又因生長于外部，可發(fā)揮保護生物以及防止水分散失的雙重作用，因此傳統(tǒng)的硬式外骨骼便成為工程界最早的模仿對象。

歷史上，第一個提出動力外骨骼的設想，是俄國發(fā)明家尼古拉斯·楊在1890年所提出的，并于1889年申請專利，該系統(tǒng)以壓縮氣體背包驅(qū)動腿部的外骨骼。而美國發(fā)明家萊斯利·凱利則于1919年提出以蒸汽驅(qū)動鋼絲的軟式動力裝置。盡管他們的發(fā)明并未實用化，但其提出的以機械能來輔助肌肉動力的概念影響著后人。

動力外骨骼的概念最早在1890年由俄國發(fā)明家尼古拉斯·楊提出，并申請了專利。該系統(tǒng)以壓縮氣體背包驅(qū)動腿部

世界公認的第一套動力外骨骼系統(tǒng)，則是1965年通用電力公司所開發(fā)的Hardiman，這套動力外骨骼系統(tǒng)可以輕松舉起110kg的物體。盡管取得了初步的成功，但Hardiman本身卻重達680kg，簡直是個龐然大物，因此，Hardiman的設計存在很大缺陷。在此之后，外骨骼系統(tǒng)的發(fā)展卻如雨后春筍，不論是工程界、軍方、醫(yī)療甚至是科幻作品中，都可以見到外骨骼系統(tǒng)發(fā)展及研究性應用的身影。

美國國防部從1960年開始便對動力外骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生濃厚的興趣，國防高級研究計劃局則提出了增強人體外骨骼計劃，在該計劃之下進行了大量研究。本文在此主要展示近幾年的典型研究成果。

近7年來，美國共有幾項令人矚目的動力外骨骼系統(tǒng)問世，分別是雷神公司的XOS-2、洛克希德·馬丁公司的HULC以及特戰(zhàn)司令部與國防高級研究計劃局合作的TALOS。

1919年美國發(fā)明家萊斯利·凱利提出了以鋼絲牽動腿部的概念，在概念上與“勇士織衣”系統(tǒng)相仿

雷神公司在2010年所推出的XOS-2外骨骼系統(tǒng)，能使使用者單手舉起90.7kg的啞鈴數(shù)百次而不感到疲累，甚至能一拳擊破數(shù)片松木板，同時也能自然地隨著人體做出拳、伏地挺身、下拉等動作，且反應十分敏捷。盡管在整體外觀上看起來像是當年Hardiman的縮小版，但其敏捷性已經(jīng)有長足進步。

不過，XOS-2外骨骼系統(tǒng)在每個關節(jié)點上都必須設置電動機，能耗較大，必須由外部電源供電，且本身質(zhì)量高達95kg。因此，XOS-2外骨骼系統(tǒng)只能用于工程或補給，例如為戰(zhàn)機掛載導彈，或搶險救援中搬起重物等。

全世界第一具動力外骨骼是通用電力公司在1965年開發(fā)的Hardiman，盡管取得了初步的成功，但它的缺陷也很明顯，其重達680kg。圖為Hardiman構想圖和模型

而洛克希德·馬丁公司與柏克萊生化機械公司在2009年合作推出的人體通用攜帶器（Human Universal Load Carrier，HULC）則是結(jié)構上更為簡單的外骨骼系統(tǒng)，其去掉了上肢的動力輸出，將動力輸出全部放在腿部。HULC可以承載重達90.7kg的物體，并能在不妨礙使用者上半身動作的情況下，做出各式各樣的戰(zhàn)術動作，包括匍匐前進和跪姿射擊等。

雷神公司在2010年推出的XOS-2動力外骨骼能夠讓使用者輕易地取起重物，甚至靈活地配合使用者的動作，但其高耗電的特性卻使得它無法進入實用

盡管美國陸軍對HULC進行了大量測試，但最終仍未將HULC投入實戰(zhàn)測評或小批量采用。據(jù)分析，主要問題是HULC的供電無法解決，盡管其電池續(xù)航能力可高達72小時，但僅能保證在水平地形上以4km/h的速度行走20km;若以16km/h的速度沖刺或爬坡則會進一步減少續(xù)航能力，若要行走更長的距離則需要攜帶額外的電池。

特戰(zhàn)司令部與國防高級研究計劃局合作的戰(zhàn)術突擊輕型作戰(zhàn)服計劃（Tactical Assault Light Operator Suit Project，TALOS）在穿戴時能智能分配重量，可減輕負重對身體的影響。另外，對TALOS的進一步要求是，希望其將現(xiàn)有防彈部分提供的18%防護面積提升到60%，對士兵的防護效能提升到全新的層次，正如古代的重甲騎士一般，持有常規(guī)兵器的敵人將難以對它造成傷害;同時要求TALOS整合先進夜視鏡、身體狀態(tài)感測器等，使其成為更先進的步兵裝甲。對其重量要求必須在180kg以下，續(xù)航能力必須在耗能12KW的情況下續(xù)行12小時。美國國防部希望能在2018年投入量產(chǎn)。

但TALOS的技術難度極高，僅是重量就難以達標，且耗能問題也難以解決，因此2018年投產(chǎn)幾乎是不可能的，而據(jù)陸軍最新的估評，TALOS可能要等到2026年左右才能投產(chǎn)。不過，TALOS的概念確實已經(jīng)成為未來士兵動力外骨骼的高端標桿，也就是希望使士兵成為鋼鐵人。

不過，大批量的裝備除了要符合戰(zhàn)術需求外，亦要符合成本需求。目前，上述3種動力外骨骼系統(tǒng)盡管都有自身的優(yōu)勢，但卻因為技術的限制而現(xiàn)階段難以被實際應用。即便防護如TALOS般優(yōu)秀、承載力如HULC般強大、力量如XOS-2般強壯，但卻只有數(shù)小時的續(xù)航能力。倘若戰(zhàn)斗時間超過續(xù)航時間，那這些強大的外骨骼將毫無用武之地，并且會成為士兵的累贅。

士兵穿著XOS-2上戰(zhàn)場，這套外骨骼更適合用來進行后勤任務，例如為戰(zhàn)機掛載導彈，只要一人就可以完成

洛克希德·馬丁公司推出的HULC外骨骼功能較為簡單，其去掉了上肢的動力輸出，將動力輸出全部放在腿部，能夠幫助士兵背負高達90.7kg的重量，但續(xù)航能力仍是其瓶頸。美國陸軍現(xiàn)僅用以測試而無實際配發(fā)計劃

“勇士織衣”：

軟式動力裝置

“勇士織衣”（Warrior Web）是一款軟式動力裝置，其不同于傳統(tǒng)的硬式外骨骼系統(tǒng)，是在外骨骼系統(tǒng)方面又一次概念性的突破。

據(jù)美國陸軍研究實驗室的人體研究工程局主任拉凡卓表示，“勇士織衣”計劃從2011年開始與國防高級研究計劃局合作至今，而國防高級研究計劃局還與陸軍研究實驗室、陸軍納蒂克士兵研究開發(fā)工程中心進行合作。各部門在研究方面各有重點，國防高級研究計劃局著重在驗證前瞻性的概念，陸軍研究實驗室則深入研究以指出需要改正的地方，而納蒂克士兵研究開發(fā)工程中心則著重于裝備開發(fā)層面。

在這5年來的設計與測試中，至少對15套“勇士織衣”進行過實驗室與室外測試，并于3年前開始成功降低人體的體能消耗，而于2016年4月則取得了減少10%體能消耗的重大成果，同時減少了肌骨傷害。拉凡卓指出，目前有95%以上的外骨骼系統(tǒng)會造成使用者較大的體能消耗，這并不代表外骨骼系統(tǒng)沒有提升使用者的力量或協(xié)助負重，而是穿著時感覺像行走于水中一般，感受到外骨骼的巨大阻力，但是“勇士織衣”系統(tǒng)已經(jīng)證實能在不阻礙使用者活動的情況下，進一步減少使用者的體能消耗。

國防高級研究計劃局為“勇士織衣”計劃制定的目標為進一步減少25%的體能消耗、全重在6kg（含）以下，耗電在100W（含）以下，同時具備有快拆扣環(huán)，并預期在2017年夏季推出具備此功能的“最高版本”。

按照此目標，倘若耗電量果真達到100W以下，一顆18650鋰電池的最大容量是12.95wh（瓦小時），因此只需要約8顆（共重0.4kg）鋰電池便可以使“勇士織衣”系統(tǒng)使用長達1小時，續(xù)航能力為TALOS的10倍，同時全重6kg也是最佳效益點，如果超出這個數(shù)字，系統(tǒng)本身會開始占用使用者可以攜帶的物資總重。

“勇士織衣”實際上就是一套降低疲勞的動力裝置，聽起來不怎么強大，但卻是最貼近現(xiàn)實的一種科技成果。

有別于硬式動力外骨骼的設計，“勇士織衣”軟式動力裝置的構造主要包括動力背包，以及纏繞于骨盆、大腿并延伸至小腿的固定束帶，而位于足部的最末端則有綁帶和傳感器，這一系列的部件都由一條從足部連接至動力背包的鋼纜串連，由電腦判斷使用者的動作以縮放鋼纜，并降低肌骨的疲勞度和體能損耗。

相較于需要在各關節(jié)放置電動機的XOS-2、HULC或者是TALOS，“勇士織衣”系統(tǒng)的活動部位重量不僅極度輕量化，甚至還省去了最具象征性且重量最大的外骨骼構架，因為“勇士織衣”本身就給人體提供輔助力量，而不是由外骨骼承擔其重量。

“勇士織衣”系統(tǒng)設計簡單，可見到藍色的鋼纜由動力背包驅(qū)動，并在小腿部分形成活動區(qū)域，而紅色部分則是固定束帶，除了將鋼絲的位置固定外，也能將力量平均分散至下半身，減少體能消耗

軟硬動力系統(tǒng)并行發(fā)展

未來，人體動力裝置將會呈現(xiàn)硬式外骨骼系統(tǒng)與軟式動力裝置并行發(fā)展的趨勢。

硬式外骨骼系統(tǒng)如TALOS，其可以外掛大量護甲，并提供全方位的力量輸出，這些優(yōu)勢在短兵相接的城鎮(zhèn)戰(zhàn)中特別有利，但TALOS明顯在續(xù)航力以及成本上趨于劣勢。

軟式動力裝置如“勇士織衣”，其功能偏向提升士兵負重和減少疲勞，而且功能簡單的設計也能有效控制成本，因此適合廣泛配發(fā)給士兵，特別是有長距離徒步需求的單位。

美國陸軍參謀長馬克·米萊上將認為，硬式外骨骼/軟式動力裝置極具潛力，盡管現(xiàn)在尚難投入實用，但他預測在未來10年內(nèi)，一旦關鍵技術被攻克，將非常有可能投入戰(zhàn)場。

編輯/鄭雙雁