“戰術人形”還會遠嗎？外軍外骨骼裝備發展路線（上）目標與挑戰

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在現代高技術戰爭條件下，士兵遂行多種行動任務，需攜帶的裝備和物資越來越多、負荷越來越大，甚至超出人體承受能力，嚴重影響士兵的行軍速度、機動靈活性和持續作戰能力，進而士兵的生存能力也受到了較大的影響。因此，不斷增加的負重成為提高步兵作戰能力的最大問題，各國提出的解決方案中除了如何減重之外，將分擔重量也列為主要的解決策略，即採用助力外骨骼協助士兵攜行並承載負重——

外骨骼是一種為生物提供保護和支撐的堅硬外部結構。軍用助力外骨骼就是模仿生物外骨骼，融合了機械、電子、感測器、智慧控制、傳動及能源等技術，根據人體結構特點設計的外接動力機械裝置，可穿戴在士兵身上，直接與肌肉骨骼系統相互作用，能擴充或增強人體的生理機能，賦予士兵部分或全部生物外骨骼所具備的支撐、保護、運動以及環境感知等功能，提高士兵的承載能力、行進速度和越障能力，大幅提升士兵的承載攜行能力和搬移託舉能力，具有可穿戴、易操作、高機動、智慧化等特徵，在單兵負載、越野機動、搬運物資、裝卸炮彈、工程作業、使用重型維護工具等方面均能發揮重要作用。

初始概念——科學幻想

外骨骼並非近年來才有的新事物，其起源可以追溯到19世紀。有趣的是，它並非源於發明家，而是出自英國插畫師羅伯特·西摩在1830年所繪的一幅插畫，畫中人物被安裝了一個以蒸汽為動力的輔助行走裝置。這一畫作啟發了無數科學工作者。1917年，美國發明家萊斯利·凱利率先實現了羅伯特·西摩的蒸汽動力輔助行走裝置。但由於在實際使用時穿戴者必須揹著一臺小型蒸汽機，且裝置無法完美地隨人體完成複雜的結構變形，此項發明最終被擱淺。

美國科幻小說家羅伯特·海因萊因1959年出版的著名科幻小說《星船傘兵》中提出了“動力裝甲”這一科幻概念，可以看作機械骨骼的雛形。在詹姆斯·卡梅隆1986年導演的電影《異形2》中有一個場景，蕾普莉中尉藉助一種稱為“動力裝載機”的獨特裝置與怪物進行殊死搏鬥。這些科幻小說和電影給了軍事科技人員很大的啟發，研究人員希望能夠研製出真正大大提高單兵作戰能力的輔助技術裝備。

美國科幻小說大師羅伯特·海因萊因1959年出版的著名科幻小說《星船傘兵》中提出了“動力裝甲”這一科幻概念，可以看作機械骨骼的雛形

最早開始研究機械骨骼這項技術的主要是美國和日本。就用途來看，美國在機械骨骼上的發展是圍繞軍事用途展開的，日本則努力以商業用途開發機械骨骼，特別是幫助殘疾人和老年人進行日常活動，如散步、爬樓梯、負載等。

1960年代

1960年，通用電氣公司研製出一種名為“哈迪曼”（Hardiman）的可穿戴單兵裝備，採用液壓電機驅動。該公司第一個提出並開展增強人體機能的主動助力型機械骨骼機器研究。“哈迪曼”能把穿戴者的力量放大25倍，不過限於當時的技術水平，其機械骨骼體積巨大且笨重，安全效能低，也只能取代單隻手功能。

1960年，美國通用電氣公司研製的“哈迪曼”可穿戴單兵裝備，能把穿戴者的力量放大25倍，但其體積巨大且笨重

“哈迪曼”的機械手

1970年代

1978年，麻省理工學院研究了“增強人體機能的機械骨骼”，負重問題有所改善，但其驅動能源與行動式問題尚未解決，沒有完整的成果問世。

1990年代

1991年，日本神納川理工學院開發了一套獨立的可穿戴助力外套，稱為“動力輔助服”，該產品使用肌肉壓力感測器，分析佩戴者的運動情況，透過微型氣泵、行動式鎳鎘電池及嵌入式微處理器，提供足夠的助力。該產品專為護士研製，可使人的力量增加近1倍。

實用探索——目標挑戰

美國在機械骨骼實用探索方面的研究走在了世界前列，五角大樓認為，未來單兵系統應當全面實現機械化和自動機器人化。2000年，美國國防部制定了“增強人體機能的外骨骼”專案計劃，責成國防高階研究計劃局（DARPA）負責，撥款7500萬美元從事該專案的研究。該計劃旨在研製出一種可穿戴骨骼，幫助負重計程車兵輕鬆行走，以提高部隊的機動能力和戰鬥能力。未來士兵裝備外骨骼後，將成為一名超級士兵，擁有巨大的力量，可攜載更多的武器裝備，火力威力得到增強，防護水平也得以提高，同時可克服任何障礙，高速前進，還不會產生疲勞感。

研究目標

DARPA外骨骼計劃的目標是讓普通士兵變成可以跳過較高物體並能高速奔跑的超級士兵。該計劃現在仍處於研製階段，所以這些助力外骨骼的具體細節不是非常清晰。不過，DARPA已經制定了實現的目標——

增強力量士兵將能夠攜帶更多武器和軍需品。透過增強力量，士兵還將能夠在行軍時移走途中的大障礙物。它還將使士兵能夠穿上較重的身體護甲和其他防彈護具，極大提升防護能力。

提高速度普通人走路的時速為6～10km，但是士兵通常還要在揹包裡攜帶重達約70kg的軍需品，揹負如此多的重物，軍隊也難以很快行進。測試表明，一種獨立開發的身體放大器/彈簧行走器的時速可超過16km。

跳得更高更遠現在還不清楚穿上機械套裝將能夠跳多遠、跳多高，但是軍方希望這種機械裝置能夠幫助士兵跳過一般障礙物。

研究挑戰

DARPA不是第一個嘗試建造外骨骼機械套裝的組織。如前所述，通用電氣公司在1960年代便開發了稱為“哈迪曼”的液壓和電動套裝。該套裝的問題是太過笨重(接近700kg)，根本不實用。當今天有了更先進的材料，例如可用於建造更現代化的外骨骼的碳化纖維和其他材料,套裝的笨重問題應該可以解決。然而，該專案依然存在很大挑戰。

若要使外骨骼發揮作用，必須綜合考慮5種因素：結構、能量、控制、促動和生物機械學。每種因素都有自己的一系列挑戰。下面是DARPA概括的一些挑戰——

構造材料外骨骼必須用堅韌、輕質且有彈性的複合材料製成。這類材料自身還必須能夠抵禦敵方火力，以保護穿用者。

能量源補給能量之前，外骨骼具有的能量必須足以支援24小時。此外，產生能量的裝置必須便於背挎。

控制機械骨骼的控制必須是無縫的。使用者穿上後必須能夠正常活動。

促動設計者必須使機械骨骼能夠順暢移動，以便穿用者不會太笨拙。與發動機一樣，促動器也必須安靜而高效。

生物機械學外骨骼必須能夠左右和前後移動，就像人在戰場中那樣行進。如果它沒有這種能力，則穿用這種裝置計程車兵就可能處於極其危險的境地。機械骨骼的結構必須像人體一樣帶有可彎曲的關節。

軍用外骨骼將是人類研製的最複雜的機器之一，它還能促進機器人的開發，令機器人更像人類。外骨骼必須能夠感應人體活動並對其做出反應。它們還必須能夠將來自能量源的能量轉換為可用的促動能量，以輔助穿用者開展活動。

擺在開發者面前的挑戰是巨大的，為了開發出這種外骨骼，新的裝置和發明也將不斷湧現。

研究發展

在美國“增強人體機能的外骨骼”計劃的可穿戴助力外骨骼研製方面，單個可穿戴助力外骨骼元件的研究已取得快速進展。從事可穿戴助力外骨骼研製專案的單位主要有加利福尼亞大學伯克利分校機器人和人體工程試驗室、薩克斯（SARCOS）公司、美國橡樹嶺國家試驗室、鹽湖城人體機能研究所和“千年噴氣機”公司等。

美國外骨骼發展主要有兩條技術路線，其一是第一代伯克利（BLEEX）下肢末端外骨骼——第二代BLEEX即ExoHiker和Exoclimber——第三代HULC。隨後在2009年，HULC專案被美國洛克希德·馬丁公司收購，進行了多次試驗和改進；另一條路線是雷神公司的Sarcos XOS外骨骼——Sarcos XOS 2外骨骼。

人體負重外骨骼HULC屬於第三代BLEEX，系統自身質量為24kg，最大負重可達91kg

伯克利下肢末端外骨骼（BLEEX）

伯克利大學機器人和人體工程試驗室負責的美軍“伯克利下肢末端外骨骼”專案已經成熟。這套裝置由揹包式外架、金屬腿及相應動力裝置組成，使用揹包中的液壓傳動系統和箱式微型感測儀作為液壓泵的能量來源，其每條腿有7個自由度，髖關節和膝關節的屈曲/伸展由液壓驅動。第二代BLEEX在零部件微型化方面很有成效，所有電子線路和許多機械部件都容納在金屬管內，其兩個型號的引數差別較大，這是由於其應用目的、髖關節驅動方式不同造成的。其中，ExoHiker的髖關節採用的是氣彈簧被動助力，主要用於長距離負重行走任務; 而Exoclimber是在ExoHiker基礎上進行了改進，增加了髖關節液壓缸主動助力，用於長距離負重上下樓梯、上下坡。

“人體負重外骨骼”（簡稱HULC）屬於第三代BLEEX，系統自身質量為24kg(不含電池)，最大負重可以達到91kg，搭載兩塊總質量3.6kg的鋰聚合電池(後續準備研發燃料電池供電系統，工作時間增加到72h) ，可保證穿戴者以4.8km/h的速度持續行進2小時；在無負載的情況下，衝刺速度可達16km/h。HULC身體上半部分的承載部位可以按照需求進行配置。目前選項有抓起炮彈的抓鉤、抓起重型槍械的特製吊鉤等，也可以根據軍方的要求專門設計承載裝置。HULC的高度可以調節，使身高1.6～1.85m計程車兵都可以穿戴，而且非常方便。穿戴時，士兵只需將腿伸進靴子下方的足床，而後用皮帶綁住腿部、腰部以及肩部即可。脫下“金屬骨骼”也很容易，只需30秒。

HULC充分採用模組化的設計理念，即機械腿和背部的托盤可以分開，如果不需要揹負重物，則可以將托盤取下，以進一步減輕重量。

雷神公司Sarcos XOS

美國國防部高階研究計劃局提供了1000萬美元的軍事研究預算，雷神公司經過7年秘密研發出來的XOS可穿戴助力外骨骼是目前最為先進的全身式外骨骼，代表了機械外骨骼領域最尖端的技術。

美國雷神公司的XOS外骨骼系統，是目前最為先進的全身式外骨骼

XOS自身質量68kg，配備較多的感測器，如角辨向器、肌電感測器、地面感測器等，所有動力驅動、測量系統、計算機、無線網路和動力供應裝置都裝在揹包中，電池掛在腰部，是一個可佩戴的混合控制系統，根據生理反饋和前饋原理研製的動力輔助控制器可以調整人的姿態，使其感到舒適。穿戴外骨骼系統的使用者靠感應器和電子整合板隨心所欲地控制這些機器，驅動方式為液壓+纜線拉動，它可以毫不延遲地反應身體的動作，輸出強大的力量，用負重9kg的力量舉起90kg的重物,並且能連續舉50～500次。XOS證明了機械骨骼能像人體一樣自由地運動。但XOS有一個重大缺陷，自帶的電池只能使用40分鐘，需要拖著一條電線隨時充電。

2010年，雷神公司收購了SARCOS公司之後，推出升級版XOS 2。XOS 2在結構上是全身式助力外骨骼，採用液壓+纜線的驅動方式。相比它的前一代，XOS 2在樣機工程化上有很大進步，質量更小、速度更快，奔跑時速為4.8km/h，耗電量降低了50%。藉助於XOS 2，穿戴者可輕鬆將90kg重的重物舉起幾百次而不會感到疲勞，此外還可重複擊穿7.6cm厚的木板。目前，XOS 2主要有兩種型號：一種是戰鬥型，增加了雙臂助力，只包括外骨骼的腿部和腰部附件，與HULC類似；另一種是後勤型，具備完整的身形。雖然目前美軍的外骨骼裝備研製主要針對後勤用途，但是考慮到其潛在的能力巨大，不排除其在將來成為單兵武器平臺的可能性。