杂志汇兵器知识

多年来，科学家们期望借助机械的能量来增强人类的速度和力量，如今，快速发展的穿戴式外骨骼系统逐渐将这一梦想变为现实，从刚性外骨骼到柔性外骨骼，科幻世界中的“钢铁侠”和“阿凡达”正走进我们的生活。

“钢铁侠”的探索之路

19世纪，英国讽刺漫画家罗伯特·西摩发表了令人脑洞大开的作品《Walking by Steam》，作品中的人类穿着各式各样的蒸汽动力机械装置，上天入地，无所不能。这一创作激发了科学家的想像，也开启了穿戴式助力装置的探索之路。

1880年，俄国天才少年尼克拉斯·雅格尼发明了一套装置，通过采用钢板弹簧和气囊式气压阀来辅助行走、奔跑和跳跃。但由于不能提供额外的动力，需要依靠人的行走来驱动，因此距离人们的期望还相差甚远。

外骨骼的真正登场是在20世纪60年代，美国军方和通用公司合作开发了一款名为“哈迪曼”的动力外骨骼装置。穿戴者的力量可以被增强25倍之多，成年人能轻松举起150千克的重物，但受到当时科技水平的限制，整个系统约重680千克，移动速度不到1米/秒，最终只能改装为机械臂。尽管如此，研究者认为，这一款能够提供额外动力的外骨骼才是真正意义上的外骨骼。

1958年，美国成立国防先进研究项目局（简称DARPA），该局极力热捧外骨骼在军事上的作用，期望能像“钢铁侠”一样，让士兵跑得更快、跳得更高、力量更大，成为士兵的护甲和武器。尽管最初设想如同天方夜谭，但美国科学家对外骨骼的热爱和期望促使新的外骨骼装置不断问世，从刚性外骨骼到柔性外骨骼，吸引着全世界的热情与投入。

刚性外骨骼仿生人体

刚性外骨骼的设计理念来自人体骨骼的仿生，采用刚性连接杆与肢体并联，对关节施加力矩，目的是代替人的骨骼和关节来跑跳和负重。感知人体运动意图的装置主要是足底压力传感器和肢体上分布的力传感器，控制算法来自人体步态分析模型。在结构上同时发展了下肢型外骨骼和全身型外骨骼，设计逐渐贴近实际应用。

2000年，DARPA拨款5 000万美元成立了人类行动强化外骨骼项目（EHPA），同时启动下肢型外骨骼和全身型外骨骼的研制工作。前者的典型代表是BLEEX 一代和BLEEX二代，而后者的典型代表是XOS 一代和二代。

2004年，“伯克利”下肢外骨骼系统（一代）进行了成功演示。它采用安装在旋转关节上的双向液压缸驱动，配备有一套电液混合的便携性能源供给装置，可以保障一名体重75千克的人负载34千克，以1.3米/秒的速度轻松行走，是第一个真正实用的智能化负荷携行装置。

2009年，洛克·马丁公司在“伯克利”一代的基础上开发了“人体负重外骨骼”（HULC），提高了上半身负重能力，属于第二代。整套系统由钛合金制成的机械腿、驱动装置及控制计算机和背部的负重部分、散热单元等组成。机械腿按照人体仿生学设计，内部有液压传动装置和类似关节的结构。HULC前后皆可负重，上半部分可按需配置承载装置，如有抓炮弹的抓钩和吊重型枪械的吊钩等。HULC能调节高度，以适应身高1.6米至1.85米的士兵，穿脱只需 30秒，质量为24千克（不含电池，两块锂电池质量为3.6千克）。2011年6月，纳提克士兵中心对HULC进行试验，一次充满电可保证穿戴者背负90千克重物，以5千米/小时的速度连续行进1个小时，冲刺速度能达到16千米/小时，并能完成爬行、深蹲、提举重物等动作，不会对士兵身体造成负担。可以说，HULC是目前性能最强的单兵动力外骨骼装置，已在美国军方全面展开试验。

“哈迪曼”动力外骨骼装置很显笨拙

“伯克利”一代的主要机构在下肢上2006年，SARCOS公司研制出了一种全身型的“可穿戴式能量自动化机器人”（WEAR），它的电池挂在腰部，角辨向器、肌电传感器、地面传感器、动力驱动装置、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中，自重68千克。该系统也采用液压系统来驱动关节，动力辅助控制器可调整人的姿态，穿戴该系统后能背负84千克的重物或人。当负载68千克、手持23千克的重物时，行进速度为1.6米/秒，还能穿过23厘米深的沼泽。

2007年，雷声公司在收购了SARCOS公司后将WEAR更名为XOS，2010年推出了XOS2，比第一代省电50%，而且更轻更快更强大。XOS2可背负重物完成上千次俯卧撑，举起重达90千克的物体，单手劈开 7.6厘米厚的木板，并能轻松地爬坡上坎、踢球等，奔跑时速为4.8千米/小时，深得美军认可，并被《时代》杂志评为2010年的50大发明之一。

除了美国，其他国家的外骨骼产品也在蓬勃地朝两个应用方向发展: 一个是军事上的单兵助力，以美国、法国、俄罗斯为代表。另一个是民用上的医疗救护，以日本、韩国、以色列为代表。

我国外骨骼的研究开始于20世纪90年代。2006年海军工程学院研制出第一款单兵负荷外骨骼系统，以直流伺服电机和谐波齿轮减速器驱动，配合机械结构气弹簧，实现了负重情况下的辅助行走，已经发展成第三代样机。与此同时，国内其它单位如军队、院校、研究所、国企、民企等也在积极开展样机研制并卓有成效。从总体上看，各单位技术指标水平相当,样机均根据足底压力来感知步态，但是传感器布局、驱动方式等实现途径略有不同，核心区别是人机协同方面。

2015年，军方组织了国内首届穿戴式助力装备挑战赛——“助力无限2015”，国内有15家外骨骼研制单位参加，经过13个科目的考核，优选出了一批性能优异、技术先进的样机。这些样机主要技术方案为基于足底、关节传感器的控制方式，分液压和电机两种动力类型，结构以下肢型外骨骼为主，多数能背负重物，少数还能完成搬移托举。另外有个别单位开展了有关肌电、脑电和人体电容控制的外骨骼相关技术研究。从军事应用看，刚性外骨骼未来主要朝作战型和作业型发展。作战型的用途是提高单兵负载、速度、耐力和防护能力等，主要用于徒步作战、空降作战、特种作战、边境巡逻等；作业型的用途是提高单兵搬运、托举等能力，在弹药和物资装卸搬运、大型装备拆装维修、抢险救灾等场合应用。

◎“伯克利”二代（HULC）抓取大口径炮弹易如反掌

◎XOS 一代（左）和XOS二代(XOS2)

◎助力无限2015比赛现场柔性外骨骼创新“布料”

柔性外骨骼的设计思路更像是为人体设计衣服，无论感知还是执行机构都充分考虑与人体的柔性结合，通过感知生理信号来预判人体动作，如肌电信号、脑电信号、心率、血压、血氧等。与刚性外骨骼采用大量刚性材料不同，柔性外骨骼更强调“布料”适应人的行动而不是去限制，因此，这种“衣服”的超凡能力与柔性“布料”息息相关。

哈佛威斯研究院展示了一款柔性外骨骼，由织物制成的柔性外骨骼穿在佩戴者的外衣内，面料通过提升生物肌肉潜力改善步态，穿戴后人的力量和耐力能增加25%。它的控制器通过传感器来感知穿戴者的运动，一旦穿戴者运动即通过线缆传递动力，系在穿戴者大腿上的电缆连接的微型电机接管行走时肌肉负责的部分工作。这种特殊的织物轻便易穿，只有7.5千克重。这套装备像衣服一样穿着舒适，穿戴者只需正常行走就能与外骨骼协同运动，目前，它正在美国陆军研究室接受军方测试。

穿戴式机器人，或称为柔性机器人代表了下一代的概念，将取代传统的材料，SRI国际工程的Superflex内衣最先亮相，它的设计初衷是减轻背负45千克背包士兵的负担，避免劳损，是外骨骼从刚性到柔性的进步，更接近于打造“外肌肉”和“外肌腱”。

2011年，DARPA 开始“勇士织衣”智能作战服的研制项目，是一种轻便、柔韧的内穿型作战服（详见《兵器知识》2015年第7期）。

2014年彭博社报道，印第安纳洲普渡大学的科学家正在实验室里开发一种柔性机器人，能够辅助瘫痪者直立行走。它与哈佛或SRI的柔性外骨骼不一样，被称之为超柔外骨骼，超柔性布料如同人体皮肤一样可以伸展、蜷曲和挤压，所有功能元件都嵌入在这种“皮肤”上，而且抗振动的能力更强，更加坚固，还能执行太空任务。据研究者介绍，未来可穿戴机器人将由更舒适的材料制成，并具备一些嵌入式功能，不会限制穿戴者的自然运动，将与我们的日常生活高度融合。

在这项超柔外骨骼研究中，设计者采用了嵌入式驱动和传感面料，可变刚度材料有可能为外骨骼机器人提供一系列新功能，包括通过调整刚性连接和关节位置来重新配置系统，并能够调整不同刚度的可穿戴织物。这种可变刚度织物由形状记忆材料制成，其中形状记忆合金（SMA）表面涂覆有形状记忆聚合物（SMP）薄膜，在向玻璃化转变时，嵌入到SMA的加热器直接加热，使织物降低一个数量级的弯曲刚度。

刚柔并济的“阿凡达”

无论刚性外骨骼还是柔性外骨骼，我们的终极需求是提高人的速度和力量，与人的运动协同一致。刚性外骨骼如同人体骨骼的复制，借助机械的力量放大自身的力量，但是人与外骨骼之间的交互无法突破相互限制的瓶颈，整个系统的重量带来能源供给不足的难题。而柔性外骨骼充分吸收了材料学领域的先进技术，让人与外骨骼的交互体如同穿衣服（甚至如同肌肉、皮肤）一样自然自如，但是柔性外骨骼提供的额外动力还不能满足士兵对增大力量和速度的需求，只能一定程度上缓解士兵的运动疲劳。

回顾外骨骼的发展，我们可以感受到，真正需要的是“阿凡达”，而不是“钢铁侠”，因为“钢铁侠”是人控制下的机器，而“阿凡达”是与人体完美的融合，外骨骼如同身体的延伸一样行动自如、力量强大、速度超凡。当然，目前刚性和柔性外骨骼与我们理想中的“阿凡达”还有很大差距，我们寄希望于各领域科技的发展，共同突破外骨骼力量与舒适的难题，成就人们心中刚柔并济的“阿凡达”。

国内刚性外骨骼的构成

与刚性外骨骼相比，Superflex显得轻柔舒适

“勇士织衣”内穿型智能作战服概念图[编辑/何懿]