動力外(wai)骨骼,最初出(chu)現在(zai)科幻小說(shuo)中(zhong)的(de)機械及(ji)電子(zi)設備,是一種能(neng)夠(gou)(gou)增強人(ren)(ren)體(ti)能(neng)力的(de)可穿戴機器。它(ta)能(neng)夠(gou)(gou)幫(bang)助(zhu)人(ren)(ren)們跑得更(geng)快、跳得更(geng)高、能(neng)夠(gou)(gou)攜帶更(geng)多(duo)更(geng)重(zhong)的(de)東西,并(bing)且幫(bang)助(zhu)穿戴它(ta)的(de)人(ren)(ren)在(zai)戰場、建筑工(gong)地或者(zhe)其它(ta)有(you)(you)危險的(de)地方(fang)生存下來。這項技(ji)(ji)術已經(jing)有(you)(you)二十多(duo)年的(de)歷史(shi),但是出(chu)于技(ji)(ji)術原因,這些裝置現在(zai)還沒有(you)(you)廣泛應用,只在(zai)實驗(yan)室或者(zhe)試驗(yan)場里閃閃發亮。
動力外骨骼通過(guo)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)來(lai)收集使(shi)用(yong)者的活(huo)動信息(xi),這(zhe)些信息(xi)傳(chuan)遞給信息(xi)處理(li)(li)器(qi)進行處理(li)(li),然后(hou)啟動相應的機械部件來(lai)輸出能量。在動力外骨骼中可以使(shi)用(yong)的傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)種(zhong)類(lei)很多,包括角辨向(xiang)器(qi)、肌(ji)電傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)、地面傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)、肌(ji)肉壓(ya)力傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)等等。同(tong)樣,用(yong)于輸出的機械系統也有(you)很多選擇,目前液壓(ya)系統和(he)氣壓(ya)系統是比較常(chang)見的。
在(zai)(zai)(zai)(zai)某些意(yi)義上(shang),動(dong)(dong)(dong)(dong)力外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)(ge)可能(neng)比《終結者(zhe)》中的(de)(de)(de)(de)(de)T600那樣的(de)(de)(de)(de)(de)機器(qi)(qi)人更復雜。動(dong)(dong)(dong)(dong)力外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)(ge)需要在(zai)(zai)(zai)(zai)極短的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間內判斷出使用(yong)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)意(yi)圖,并且給(gei)予恰如其分的(de)(de)(de)(de)(de)幫(bang)助。現(xian)在(zai)(zai)(zai)(zai)最成熟的(de)(de)(de)(de)(de)軍用(yong)動(dong)(dong)(dong)(dong)力外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)(ge)采用(yong)肌肉(rou)壓(ya)力傳(chuan)感器(qi)(qi)來收集用(yong)戶動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)。當人彎曲手(shou)肘(zhou)時(shi)(shi),上(shang)臂的(de)(de)(de)(de)(de)肌肉(rou)纖維(wei)組(zu)織會緊(jin)靠在(zai)(zai)(zai)(zai)一(yi)(yi)起,從(cong)而(er)(er)牽動(dong)(dong)(dong)(dong)肌鍵運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong),直(zhi)觀表現(xian)就是(shi)(shi)肌肉(rou)隆起。在(zai)(zai)(zai)(zai)動(dong)(dong)(dong)(dong)力外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)(ge)與皮膚(fu)接觸的(de)(de)(de)(de)(de)肌肉(rou)壓(ya)力傳(chuan)感器(qi)(qi)收集肌肉(rou)收緊(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)強度(du)和方(fang)向(xiang),從(cong)而(er)(er)感應到操縱(zong)者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)意(yi)圖。它會把收集得(de)到的(de)(de)(de)(de)(de)數據資料傳(chuan)達給(gei)信(xin)息處理器(qi)(qi)——這是(shi)(shi)一(yi)(yi)個(ge)安裝在(zai)(zai)(zai)(zai)背部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)“背包”,可以看成一(yi)(yi)臺電腦——信(xin)息處理器(qi)(qi)計算如何移動(dong)(dong)(dong)(dong)外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)(ge)讓使用(yong)者(zhe)用(yong)力最小,然(ran)后再把指令傳(chuan)遞到相關(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)節(jie),通過(guo)關(guan)(guan)節(jie)內部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)壓(ya)機構(gou)傳(chuan)動(dong)(dong)(dong)(dong)裝置產生精(jing)確的(de)(de)(de)(de)(de)力量,從(cong)而(er)(er)做到與人的(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)同步。當然(ran),實際上(shang)還是(shi)(shi)有一(yi)(yi)點(dian)時(shi)(shi)滯(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de),但是(shi)(shi)時(shi)(shi)滯(zhi)(zhi)被控制在(zai)(zai)(zai)(zai)無法(fa)察(cha)覺(jue)的(de)(de)(de)(de)(de)程度(du)。在(zai)(zai)(zai)(zai)現(xian)代信(xin)息技術的(de)(de)(de)(de)(de)幫(bang)助下,動(dong)(dong)(dong)(dong)力外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)(ge)以每秒數千(qian)次的(de)(de)(de)(de)(de)速度(du)調整全(quan)身每一(yi)(yi)個(ge)關(guan)(guan)節(jie),讓使用(yong)者(zhe)幾乎察(cha)覺(jue)不到它的(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)(zai)(zai)。
早在1960年(nian)(nian),通用電氣就開(kai)始(shi)了(le)機械外骨骼(ge)的研(yan)究(jiu),但(dan)是當時他們(men)開(kai)發的設備只(zhi)有一(yi)只(zhi)手(shou)。麻省理(li)工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)從(cong)1978年(nian)(nian)也(ye)開(kai)始(shi)了(le)研(yan)究(jiu),但(dan)是目前(qian)看(kan)起(qi)來(lai)比較有希望的是一(yi)家坐落在鹽湖城的公司(si)(si)。這家叫(jiao)做(zuo)Sarcos的公司(si)(si)在1983年(nian)(nian)就開(kai)始(shi)了(le)這方面的探索(suo),公司(si)(si)創始(shi)人斯蒂芬·雅克布(bu)森(Stephen Jocabsen)親切地叫(jiao)它XOS。2000年(nian)(nian)XOS從(cong)14個(ge)類似的裝備中脫穎(ying)而出(chu),被美國(guo)(guo)(guo)國(guo)(guo)(guo)防部(bu)高級研(yan)究(jiu)計劃(hua)署(shu)——就是這個(ge)機構發明了(le)互聯網——選中,并且把打(da)算它應用在軍隊中。這項(xiang)研(yan)究(jiu)在高級研(yan)究(jiu)計劃(hua)署(shu)的資金支持下開(kai)始(shi)迅速發展,后(hou)來(lai)Sarcos被美國(guo)(guo)(guo)一(yi)家國(guo)(guo)(guo)防部(bu)承包商(shang)雷神(Raytheon)公司(si)(si)收購,有望能在2008年(nian)(nian)推(tui)出(chu)成品,并且在2009年(nian)(nian)進(jin)行戰場實(shi)驗。
除(chu)了軍方外,動力(li)外骨骼(ge)在(zai)(zai)民(min)用(yong)領域也大(da)(da)有可為。日本(ben)筑波大(da)(da)學的(de)(de)機械人專家三階吉行(xing)和他的(de)(de)同事們在(zai)(zai)2004年(nian)(nian)創建了一個叫做“Cyberdyne”的(de)(de)公司,開(kai)始把(ba)他們花了十年(nian)(nian)時(shi)間研(yan)制的(de)(de)動力(li)外骨骼(ge)推(tui)向市場。這種(zhong)動力(li)外骨骼(ge)叫做HAL,是人體輔助(zhu)義肢(Hybrid Assistive Limb)的(de)(de)縮寫,主要用(yong)于醫療領域,幫助(zhu)殘(can)障者行(xing)動和傷患復健,以及為護士們助(zhu)力(li)。現在(zai)(zai)已經有了上(shang)市的(de)(de)產品,當然,和軍用(yong)標準相距甚遠(yuan)。
現在(zai)(zai),美國(guo)國(guo)防部研究計(ji)劃(hua)署(DARPA)投資五千(qian)萬美元為地(di)面部隊開(kai)發外骨(gu)骼(ge)(ge)套裝。這(zhe)種可穿(chuan)戴的(de)機器人系統(tong)可以使士兵(bing)能夠跑得(de)更(geng)快、攜(xie)帶(dai)更(geng)重(zhong)的(de)武器以及跳過較大的(de)障礙物(wu)。外骨(gu)骼(ge)(ge)在(zai)(zai)非軍(jun)事領域(yu)的(de)應(ying)(ying)用(yong)潛力(li)(li)同樣十(shi)分巨大。2000年,DARPA征求人體(ti)(ti)能力(li)(li)增強系統(tong)的(de)建(jian)議書,很(hen)快將(jiang)會(hui)簽約并開(kai)始外骨(gu)骼(ge)(ge)的(de)開(kai)發。軍(jun)方(fang)機構稱,對(dui)這(zhe)種新技術的(de)測(ce)(ce)試至少要(yao)在(zai)(zai)十(shi)年之后才能進行,而(er)要(yao)士兵(bing)能夠穿(chuan)上這(zhe)些(xie)身體(ti)(ti)加強系統(tong)參加戰斗,則可以需要(yao)更(geng)長(chang)的(de)時間。根據(ju)預測(ce)(ce),這(zhe)些(xie)外骨(gu)骼(ge)(ge)系統(tong)能夠提(ti)高(gao)士兵(bing)的(de)力(li)(li)量和速度,而(er)且還能通過內置的(de)計(ji)算機輔助士兵(bing)在(zai)(zai)國(guo)外領土(tu)行軍(jun)。但是,這(zhe)種系統(tong)仍(reng)存在(zai)(zai)一些(xie)問題,包括如(ru)何為這(zhe)些(xie)機器提(ti)供能量,它們將(jiang)如(ru)何響應(ying)(ying)人體(ti)(ti)動作等。
DARPA外(wai)(wai)骨骼計劃的(de)(de)目(mu)標是讓普通士(shi)兵變(bian)成可以跳過(guo)較(jiao)高物體(ti)和高速(su)奔跑的(de)(de)超(chao)級(ji)士(shi)兵。該計劃現(xian)在仍(reng)處于初期階段,所以這(zhe)些(xie)可穿戴機器的(de)(de)具體(ti)細節仍(reng)然非常模(mo)糊。不(bu)過(guo)DARPA已經為這(zhe)些(xie)可穿戴機器確定了一些(xie)可以期待的(de)(de)東西。下面(mian)是研究人員期望外(wai)(wai)骨骼在士(shi)兵身上實現(xian)的(de)(de)目(mu)標。
1、增大(da)力量:士兵將能夠攜帶更(geng)多(duo)的武器(qi)和(he)軍需品(pin)。通(tong)過(guo)增大(da)力量,士兵還(huan)將能夠在行軍時移走(zou)途中的大(da)障礙物(wu)。它還(huan)將使士兵能夠穿上(shang)較重(zhong)的身體(ti)護甲和(he)其他防彈護具。20世(shi)紀60年代(dai),通(tong)用電氣(qi)公司(GE)與美國軍方合作開發(fa)了一個外(wai)骨骼,稱為Hardiman。它使得舉(ju)起(qi)120公斤(jin)的重(zhong)物(wu)就像舉(ju)起(qi)5公斤(jin)重(zhong)物(wu)那樣輕(qing)松。
2、提高速(su)(su)度(du):普通人走路的時速(su)(su)為6至10公(gong)里,但是(shi)士兵通常還要(yao)在背包里攜帶重達約70公(gong)斤的軍需品。在背負如(ru)此多(duo)(duo)的重物時,即使是(shi)條(tiao)件(jian)最好的軍隊也難以很快(kuai)行進。現在還不確(que)定DARPA的外骨骼將能(neng)夠(gou)走多(duo)(duo)快(kuai)。不過測試表明,一種獨立開發的身(shen)體放(fang)大器彈簧行走器的時速(su)(su)可超過16公(gong)里。
3、跳得更(geng)高和更(geng)遠:現在還(huan)不清(qing)楚穿(chuan)上機(ji)械(xie)套(tao)裝將能夠(gou)跳多遠和跳多高,但是軍方(fang)希(xi)望這種機(ji)器(qi)能夠(gou)幫(bang)助士兵跳過降低行軍速度的一般(ban)障礙物。
總的來(lai)說,士(shi)(shi)兵(bing)(bing)在不(bu)可預測(ce)的地(di)(di)形(xing)中長(chang)距(ju)離行(xing)軍時,此裝備(bei)(bei)可提(ti)高自己的耐久性。借(jie)助增(zeng)大(da)的力量(liang),他們還將能夠修復憑人(ren)體自身(shen)力量(liang)難以(yi)修復的重型(xing)設備(bei)(bei)。專(zhuan)家認為,由(you)于增(zeng)加了身(shen)體護甲,傷亡人(ren)數將變得更少。這些外骨骼機器還將配備(bei)(bei)傳感器和(he)全球定(ding)位(wei)(wei)系統(GPS)接收器。利用這一技術,士(shi)(shi)兵(bing)(bing)可以(yi)了解有(you)關他們正在穿越的地(di)(di)形(xing)的信息,從而找出行(xing)進(jin)到指定(ding)位(wei)(wei)置的最佳路線(xian)。DARPA還在開發(fa)與外骨骼配套使用的計算機化(hua)織物,用于監視士(shi)(shi)兵(bing)(bing)的心率(lv)和(he)呼吸率(lv)。
如果研制(zhi)順(shun)利,美(mei)國軍(jun)隊將(jiang)普遍配備(bei)這些(xie)外(wai)骨骼(ge),屆時將(jiang)出現大量(liang)可以跳得更(geng)高、跑得更(geng)快以及能舉起(qi)巨大重量(liang)的(de)超級(ji)士兵。然而,預期開發這些(xie)設備(bei)需要數年甚(shen)至數十年。在下一部分中,你將(jiang)了解負責開發這些(xie)外(wai)骨骼(ge)的(de)研究人員所面臨(lin)的(de)一些(xie)障礙(ai)。
DARPA不是第一個嘗(chang)試建造外(wai)骨(gu)骼(ge)機(ji)械套(tao)裝(zhuang)的(de)(de)(de)組織。如(ru)前所述,GE在20世(shi)紀60年代便開發了稱為Hardiman的(de)(de)(de)液壓和電(dian)動(dong)套(tao)裝(zhuang)。該(gai)套(tao)裝(zhuang)的(de)(de)(de)問題是,它(ta)太過(guo)笨重(接近700公斤),根本不實用。今(jin)天有了更先進(jin)的(de)(de)(de)材料(liao),例如(ru)可用于建造更現代化的(de)(de)(de)外(wai)骨(gu)骼(ge)的(de)(de)(de)碳化纖維和其他(ta)材料(liao)。然而(er),該(gai)項(xiang)目(mu)也并非沒(mei)有挑戰。
若要使(shi)外(wai)骨骼機(ji)器發(fa)揮作用,必須綜合(he)考(kao)慮五種(zhong)因(yin)(yin)素:結構(gou)、能量、控制、促動和生(sheng)物機(ji)械(xie)學(xue)。每(mei)種(zhong)因(yin)(yin)素都有自(zi)己的(de)一系列挑戰。下(xia)面是DARPA概括的(de)一些(xie)挑戰:
1、構造(zao)材(cai)料:外骨骼(ge)必(bi)須用堅(jian)韌、輕質且有彈(dan)性的復合材(cai)料制成。該材(cai)料自身還必(bi)須能夠抵御敵方火力,以保(bao)護穿用者(zhe)。
2、能(neng)量(liang)源:這些限制(zhi)主(zhu)要來自(zi)于(yu)能(neng)源——現(xian)在所使用(yong)的(de)能(neng)源裝置(zhi)實在是有點支持(chi)不了動(dong)力(li)外(wai)骨骼(ge)(ge)的(de)能(neng)量(liang)消耗(hao)。補給能(neng)量(liang)之前,外(wai)骨骼(ge)(ge)具有的(de)能(neng)量(liang)必須足以支持(chi)24小時。此外(wai),產生能(neng)量(liang)的(de)裝置(zhi)必須便于(yu)背挎。對于(yu)外(wai)骨骼(ge)(ge)研制(zhi)者而(er)言(yan),創造出零(ling)噪音機(ji)器可能(neng)是最(zui)困難的(de)一項任務。
3、控制:機(ji)器的(de)控制必須是無縫的(de)。使用者在穿上該設(she)備后必須能夠正常活(huo)動。
4、促動(dong):設計者必須使機(ji)器(qi)能夠順暢移動(dong),以便穿用(yong)者不(bu)會太笨拙。與發(fa)動(dong)機(ji)一樣,促動(dong)器(qi)也必須安靜而(er)高效(xiao)。
5、生物機械學(xue):外骨骼(ge)必(bi)須能(neng)夠左右和(he)前后移動(dong),就像人在戰場中那(nei)樣(yang)行進。如果它沒(mei)有這種能(neng)力,則穿用該(gai)套裝的(de)(de)士兵就可能(neng)處于極其危險(xian)的(de)(de)境地。開發(fa)者(zhe)設計的(de)(de)結構必(bi)須像人體一樣(yang)帶有可彎曲的(de)(de)關節(jie)。
軍(jun)用外(wai)骨骼將(jiang)是人(ren)類研制(zhi)的最復(fu)雜的機器(qi)(qi)之(zhi)一,它還能(neng)促進機器(qi)(qi)人(ren)的開發(fa)(fa),令機器(qi)(qi)人(ren)更(geng)像人(ren)類。外(wai)骨骼必(bi)須(xu)能(neng)夠感應人(ren)體(ti)活(huo)(huo)動并對其做出(chu)反應。它們還必(bi)須(xu)能(neng)夠將(jiang)來自能(neng)量源的能(neng)量轉換為(wei)可用的促動能(neng)量,以輔助(zhu)穿用者開展活(huo)(huo)動。擺(bai)在開發(fa)(fa)者面前的挑戰是巨大的,為(wei)了開發(fa)(fa)出(chu)這種外(wai)骨骼,新的設備和發(fa)(fa)明(ming)也將(jiang)不(bu)斷涌現(xian)。