凡人的超人之路 機械外骨骼發展史

說起“機械外骨骼”這個詞，許多朋友會聽得云里霧里，但若是說到《星際爭霸》里的步兵戰斗裝甲或是漫畫《機動戰士高達》的機動裝甲，大家就會恍然大悟，原來就是那些能將我們凡人瞬間變成超人的神奇裝甲！不過隨著科技的不斷發展，各種神奇的機械外骨骼已經從游戲、漫畫中走出來，進入了現實的世界。

機械外骨骼的發展

其實“機械外骨骼”最初的概念類似于昆蟲的外骨骼，能夠穿在人的身上給人提供某種相應的幫助，比如保護人們不受到傷害，通過額外的動力或能力來增強人體自身的機能等等。它需要一套輕盈的動力系統，能夠連續幾天提供充足的電源能量。它還需要小巧強大的人工肌肉，以及一套復雜的動作控制系統，可以行動靈敏、反應迅速。“機械外骨骼”就好像人們的機械影子，能夠讀懂人們的一舉一動，及時地模仿他的每個動作。其中電影《鋼鐵俠》中的鋼鐵衣，就是機械外骨骼的典型范例。而在電影《異形》、《黑客帝國》中，也出現過各式各樣的機械外骨骼。

“機械外骨骼”的靈感其實正是來源于當年美國知名的漫畫《鋼鐵俠》。漫畫的主人公建造了一件金屬鎧甲，穿上它的人就成為一個所向披靡的“鐵人”。在漫畫里面“鐵人”的速度超過了噴氣飛機，可以輕而易舉舉起1000噸的重物，當然還可以闖入重重設防的電腦。雖然當時的美國軍方也注意到這一點，但是當時還不存在實現這個構想的技術條件。直到2000年，五角大樓國防高級研究計劃署才開始為期7年，投資數千萬美元的機械外骨骼研究計劃，這個研究項目被命名為“EHPA”。其實早在1995年，美國陸軍上校杰克·奧布瑟克就參與了外骨骼研究。他認為隨著感應器日益變小以及功能更全面，處理器速度加快，他和其他支持者有理由相信機械外骨骼有可能成為現實。

第一件真正意義上的機械衣XOS建造于2002年，不過當時它沒有任何的動力。開發小組建造它的目的，是證明外骨骼能像人體一樣自如行動。當一名工程師穿上機械衣以后，嘗試做了各種復雜的動作，比如踢球、跑步、爬進汽車駕駛室。通過這一系列實驗后，又在恰當的地方采用了一些關節。

2003年研究小組開始用水壓驅動傳動器做人工肌肉。另一位外骨骼研究者認為，XOS對水壓裝置的依賴最終將導致它的失敗。因為水壓裝置太耗電。他認為電傳動器比較好，因為它們消耗能量與行動相符。雖然XOS在舉重項目上令人刮目相看，但并沒有達到五角大樓國防高級研究計劃署的全部目標。不過由于它最接近五角大樓的構想，因此還是脫穎而出，成為美軍批準進入下一階段研究的全身外骨骼。

XOS最有力的競爭者是一臺醫療設備，但位于太平洋彼岸的日本。2004年日本機器人專家山海嘉之創建了一個叫Cyberdyne的公司，推銷他的全身機械外骨骼HAL-5。它沒有采用XOS式的壓力感應器，而是把感應器附著到穿著者身上，從而接收人體肌肉發出的信號內容，以確定人們下一步的行動意圖。這套機械外衣的控制系統能夠學習、模仿穿著者的自然姿態。這意味著至少需要30分鐘時間，兩者才能做到基本上協調一致，而不能指望一穿上就行動自如。但是HAL-5的主要用途是充當康復治療輔助工具和護士的助手，所以半個小時的培訓時間不構成問題。穿上這套電池驅動的大力服后，護士們能輕松抱起粗壯的病人，仿佛抱小孩一樣輕松。

外骨骼的軍事應用

2010年第二代外骨骼機械裝“XOS2”研發出來，雖然此設計重達90公斤，但軍人穿上它后，不但可輕易搬起百斤重物，還能活動自如。相較于先前發布的“XOS1”外骨骼機械裝，“XOS2”版本的機械裝更輕巧也更強壯，不但能輕易地舉起約100公斤的重物，還可重復擊穿3英寸(約7.62厘米)厚的木板。這相當于綜合了兩三人的工作量，不但可減輕士兵的疲勞程度，還能讓戰略執行效率加倍。“XOS2”由一系列傳感器、傳動裝置以及控制器所構成，并由高壓液壓驅動，且耗電量也比上一代降低50%。

另外根據俄羅斯《陸軍指南》2011年6月30日報道，美國的洛克希德·馬丁公司研制的加固型“HULC人體負重外骨骼”，目前正在美國陸軍納蒂克士兵研究、發展和工程中心進行生物力學測試，本次測試作業基于士兵反饋意見的外骨骼發展規劃。“人體負重外骨骼”由洛克希德·馬丁公司研制，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(200磅)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。人體負重外骨骼是一種創新方案，既可提高士兵的持久作戰能力，又可降低士兵受傷的風險。

外骨骼的民間應用

2010年，新西蘭一家公司發明了全球首對“仿生機械腿”，安裝在下身癱瘓者的腿上，能支撐身體，幫助他們重新站起來。借助它使用者可以輕松地站立、行走，甚至上下樓梯和斜坡。這種仿生機械腿名為“Rex”，由Rex Bionics公司發明。發明者利特爾和歐文觀看電影《異形》時，看到女主角里普利穿上機器外骨骼，從中得到啟發。這種裝置重量為38公斤，由一個輕便充電池提供動力，充電一次可全天使用。

另外，加利福尼亞的伯克利仿生研究所，發布了名為“eLEGS”的機械外骨骼。和REX類似，這款機械外骨骼主要是為了幫助殘疾人士擺脫輪椅的束縛，使他們可以在站立的姿勢下行走。eLEGS穿在衣服外邊，只要是能獨立使用輪椅的人，都可以獨立穿上或脫下eLEGS。站立起來后內置電腦將通過傳感器，觀察使用者的姿勢。隨后它會根據這些姿勢確定使用者的意圖，并提供實時輔助。外骨骼除了幫助截癱人士行走外，還可以幫助暫時無法站立的人鍛煉他們的肌肉和神經系統。

在2011年的7月，日本筑波大學公布一款名為“混合輔助機械套裝”的機械外骨骼。該套裝通過墊片與身體的特殊部位相連接，能夠探測到微弱的生物電信號，墊片與肢體運動相一致。當使用者穿著該套裝試圖移動時，從大腦釋放的神經信號將通過運動神經元傳輸至肌肉組織，最終將產生肌骨系統的移動。已有兩個孩子的殘疾人Seiji Uchida正是使用這種最新研制的神經控制外骨骼結構，使自己的力量增強了十倍，成功地登上了法國圣米歇爾山。

相信不久的將來，只存在與科幻電影中那人機一體的進化，將不僅僅是編輯們的幻想。