可穿戴的機器人

隨著科技的發展，一些國家競相研制戰場機器人系統，其中美國的偵察、排爆機器人Talon曾用于伊拉克和阿富汗戰場。除了這類機器人系統之外，一些幫助士兵攜帶更多負載的機器人也在研制之中，這便是外骨骼機器人——

何為外骨骼機器人

“外骨骼機器人” (Exoskeleton Robot)是指套在人體外面的機器人，也稱“可穿戴的機器人”。

外骨骼本來是指昆蟲或甲殼類動物身體外表的骨骼，具有支撐和保護作用。很早就有科幻小說提及穿戴在人體外表、具備動力的特殊裝甲，借以提高人類的戰斗力，這樣的裝備即被稱作外骨骼機器人。理想中的外骨骼機器人能夠對使用者提供防護并增強使用者的負重和運動能力，最好還可以飛行。

在外骨骼機器人研制方面，美國、日本頗見成效。

美國的外骨骼機器人計劃

2000年，美國國防高級研究規劃局發布了外骨骼機器人的研制招標書，包括以下4方面的要求：

結構材料——外骨骼機器人必須使用堅固、輕型且有彈性的材料。這種材料必須能夠保護穿戴者，以大幅度減少傷亡；

輕巧的能源——外骨骼機器人攜帶的能源必須能夠維持24小時的工作，而且必須輕且完全無聲；

控制與動作——外骨骼機器人必須能夠同步跟隨使用者的動作，能夠加強使用者的力量并模仿人類的各種動作，包括戰場上的前后左右移動躲閃。目標是讓使用者背負更大質量的同時仍然能夠跑得更快、跳得更高更遠；

液壓元件——動作必須流暢、高效且完全無聲。

美國國防高級研究規劃局挑選了幾個方案分頭進行，先驗證基本可行性，再設法改造。

美國的這份計劃全稱“外骨骼增強人類體能表現”(Exoskeleton for Human Performance Augment)計劃。計劃啟動共有3個單位獲選分別進行外骨骼機器人的初期研制工作：橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge NationalLaboratory)、加州大學伯克利分校和薩克斯(Sarcos)公司。到2005年，薩克斯公司的全身式外骨骼機器人脫穎而出。從2006年起，薩克斯公司開始獨挑大梁研制美國軍用外骨骼機器人，2007年，該公司被雷聲公司收購。2008年4月28日，雷聲公司宣稱薩克斯公司的外骨骼機器人XOS已獲得顯著成功，但仍在繼續改進，美軍于2009年開始測試經過改進的型號。

外骨骼機器人研究中最困難的是能源問題。在最初研制階段，伯克利分校采取的是利用人體行走動作充電的方案。“伯克利下肢末端外骨骼”(BLEEX)機器人只到士兵腰部附近，負載就掛在腰際附近的支架上，最大負載可達45kg，電源可維持20小時。在最大負載時，使用者的氧氣消耗量比自力負擔同樣質量要少15％。伯克利分校推出的第二代BLEEX在零部件微型化方面很有成效，所有的電子線路和許多機械部件都容納在金屬管內。但由于發電裝置影響到行走步態，所以使用者消耗的能量反而較多。

薩克斯公司勝出的主要原因是該公司暫時擱置能源問題，先解決全身式外骨骼的控制、快速反應以及流暢動作等問題。只要有能源，XOS就可以讓使用者輕松地連續500次舉起、放下90kg的杠鈴。鑒于美軍的目標是舉起180kg的物品，還有跑、跳等能力，所以XOS仍在改進之中。

XOS的控制原理類似于飛機的線性傳導控制。XOS在經過精心挑選的幾個地方設置了“力傳感器”。當穿戴者移動肢體想要做某一動作時，凡是受力的傳感器立即通知中控電腦，然后由電腦高速計算外骨骼應采取何種動作來幫助使用者。依據計算結果，電腦指示恰當位置的液壓元件移動活塞，活塞拉動纜線，外骨骼就動起來了。

XOS的控制原理是：以某種方式移動外骨骼，將力傳感器所受到的來自人體的力量減至最小。或者說，因為外骨骼代替使用者承擔負載，所以使用者剛一開始出力就“立即”獲得幫助而不必出力，于是相關位置的傳感器就不會繼續受到人體施加的力。XOS的牽頭人杰克·布森把這種控制原理叫作“讓道”(get out of the way)。這看起來簡單，但具體實施卻并不容易。就傳感器而言+每秒必須檢測受力狀況數百到數千次不等，并傳輸到中控電腦。中控電腦必須立即完成運算，并下達指令到相關的液壓元件完成動作。上述過程如果不夠迅速。使用者就會感到像在水中行走那樣的阻力以及“動作明顯落后于意念”的不適應感。

目前市場上沒有適合的液壓元件，因此公司必須自行設計XOS全身所需的30個液壓元件。設計目標是即使使用者不同，只要穿上XOS就可以使用，無需人機磨合時間。所以必須解決的問題是，如果換成體型差異較大的使用者，傳感器如何分辨受到的壓力是因為使用者想要移動或者只是因為較大的身軀在擠壓。

傳統的液壓元件如果在接到指令后就立即動作，則必須靠耗用能量來保持工作流體的充分壓力。為此，薩克斯設計了專門的液壓閥來降低XOS的能耗。不僅如此，公司設計團隊還打算修改XOS的電腦程序來更好地模仿人類走路。人類走路主要依靠臀部的大肌肉抬腿，在足部接觸地面之前，其他許多緩沖和維持平衡的小肌肉都不出力。按照這種方式走路，XOS還可以更省電。然而無論如何，68kg的XOS目前只能依靠自帶電池工作40分鐘，長時測試或性能展示都要依靠外接的液壓管線。

美國國防部已經撥款，用于研制軍用人造肌肉纖維，目標是利用電壓變化造成上述纖維收縮或者舒張產生力最，以取代液壓元件。即使薩克斯公司能夠進一步降低XOS的能耗，活動部件較少的系統還是更為可靠。而且處理電線彎曲比處理液壓管線彎曲更加容易，也沒有液體滲漏的問題。所以未來主流的外骨骼機器人或許不會繼續采用液壓系統。

日本的外骨骼機器人

日本在研制機器人方面有很好的基礎，世界上大約一半的工業機器人都出自日本。日本已經有了外觀類似XOS的全身式商用外骨骼機器人。筑波大學的山海嘉之教授創立的Cyberdyne公司研制出混合助力肢體(HAL)外骨骼機器人。其第五代產品HAL-5在2005年亮相愛知世界博覽會并引起廣泛關注，并被美國《時代》雜志評為2005年最佳發明。

HAL－5自身質量21kg，可以自我支撐，所以使用者穿上它之后不會感覺有負擔。由掛在腰際的鋰電池提供能源的HAL－5至少可以幫助使用者增加40kg的抬起或舉起能力。完成HAL－5“人機默契”訓練通常需要30分鐘。

HAL－5有兩套控制系統，其中一套不使用力傳感器，而是使用貼附在人體皮膚上的電極檢測微弱的生物電流來判斷使用者想要出力的方式。另一套控制系統可以記憶并模仿使用者的動作特點，例如某一條腿比較無力，這樣可以更密切地配合使用者，也可以解決某些人生物電流較弱的問題。

HAL－5于2008年10月開始生產，年產量500套。但日本目前還沒有傳出研制軍用外骨骼機器人的消息。

外骨骼機器人的作戰效能

以科技發展的現狀和趨勢而言，比較先進的國家之間對抗時，裝甲車之類的目標可以說是一經發現即被擊中，被擊中后或毀或傷。體積遠遠小于裝甲車的步兵顯然比較易于隱蔽，但視野遠小于裝甲車，且人員的彈藥攜行能力和全速行進持久力明顯落后，如果使用外骨骼機器人則可以很好地解決這一問題。美國目前計劃的外骨骼軍用機器人要求具有攜行質量為21kg的個人護具、100kg以上的武器及彈藥等物品的能力，自備能源可使用24小時，持續行軍速度至少每分鐘300m，甚至達到每分鐘400m以上。

外骨骼機器人助力的步兵只要有足夠的電源，長途行軍之后仍然能夠很快地挖掘更多、更深的丁事。為了幫助士兵在陌生環境下準確、快速抵達地點并了解周圍敵我情況，軍用外骨骼機器人將會安裝GPS、夜視裝備等。更先進的型號甚至有可能按照指令或自行判斷，將負傷或失去知覺的士兵自行送到友軍后方醫護地點。目前正在研究的課題之一是，外骨骼機器人允許友軍隨穿隨用，同時還能阻止敵軍利用。

如果軍用外骨骼機器人技術成熟，步兵的作戰效能將會大幅提升，高速行軍的步兵將會再度在戰場發揮重大作用。

外骨骼機器人的軍事后勤與和平用途

就地震之類的救災而言，如果有了外骨骼機器人，其作用不言而喻。想像一下，一個人就能舉起100kg甚至i80kg的石塊、混凝土板塊，而且24小時連續工作也不會感到疲勞，這樣的救災隊伍可以高出正常人好幾倍的效率在狹小的空間內清除廢墟或者清除道路上的障礙物，這將在救災現場起到怎樣的作用!如果使用行軍時速20km、能夠在夜間精確定位、負載100kg以上的外骨骼機器人，投入一個排就能單次運輸4000kg以上的物資，且不受天氣、缺乏著陸點等因素影響，這將是怎樣的工作效率!

如此看來，即使初期成熟的外骨骼機器人不足以用于戰斗，美軍也會將其用于后勤任務，例如搬運和裝卸物資、為戰斗機掛彈等可以使用外部能源長時間工作的任務。

編輯 劉蘭芳