动力外骨骼发展史 非常不错的文章 国内 国外

admin 5天前 6


1起源:从插画中走出的动力外骨骼

    [中关村在线可穿戴频道原创]编者按:无论是《美国队长》中的超级血清,还是《X战警》中的基因变异,擅于想象的人类从未放弃对“超体”的渴望。随着商业大片《明日边缘》的上映和FPS超级大作《使命召唤:高级战争》的发行,“动力外骨骼”这一概念再次从科幻艺术中走出,并为我们上演了一幕幕充满暴力美学的近未来战争。

    不过,动力外骨骼真的源自影片与游戏中所标榜的“近未来”吗?今天,就让我们共同了解这项跨越世纪的黑科技,探秘动力外骨骼的前世今生。

可穿戴黑科技 探秘跨世纪的动力外骨骼 完
可穿戴黑科技 探秘跨越世纪的动力外骨骼

起源:从插画中走出的动力外骨骼

    动力外骨骼(Powered Exoskeleton),顾名思义,它不同于我们在以往的军事战争或科幻电影中所见到的铁甲洪流,而是附着于人体外部的“人工智能”:为穿戴者提供保护,并根据人的肢体活动来感应、伺服、驱动机械关节重现动作,用以提供额外的动力,帮助使用者跑得更快、跳得更高、负重更强。

可穿戴黑科技 探秘跨世纪的动力外骨骼
影视作品中的外骨骼(图片来自海上电影)

    从严格意义上来讲,动力外骨骼也不同于《阿凡达》中频频出镜的AMP外骨骼机甲。理想状态下,动力外骨骼足够轻便,不仅能够用于军事,还可以帮助残疾人起身行走。因此,我们可以将它定义为可穿戴设备领域最特别,也是最有望军民两用化的品类。

可穿戴黑科技 探秘跨世纪的动力外骨骼
AMP并非完全意义上的动力外骨骼,可称之为外骨骼机甲(图片来自游民星空)

    有关动力外骨骼的起源可以追溯到19世纪。有趣的是,它并非源于发明家,而是出自英国著名插画师Robert Seymour在1830年所绘的《Walking By Steam》。自此,以蒸汽为动力的行走辅助装置启迪了无数科学工作者对这一概念的探索,也成为了当代动力外骨骼技术的雏形。

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《Walking By Steam》(图片来自collectionsonline)

    到了1890年,一位来自俄罗斯的天才少年尼古拉斯·亚金发明了一套可以辅助人们行走、奔跑和跳跃的外骨骼装置。但由于这一装置的构造过于简单:仅仅有钢板弹簧和气囊式气压阀,因此它仍需要人的行走来驱动它,并不能提供额外的动力,所以它仍算不上真正意义上的动力外骨骼。

    但即便如此,这些敢为人先的艺术家与发明家依然为后人留下了宝贵的借鉴价值。于是,更加成熟的构思与创造在20世纪的美国开花结果。


2发展:DARPA跌倒在前 通用出师未捷

发展:DARPA跌倒在前 通用出师未捷

    1917年,美国发明家莱斯利·凯利提出了一部名为"Pedomotor"的步动辅助装置,由蒸汽驱动的它奠定了现代动力外骨骼的研发基础,也率先还原了Robert Seymour的《Walking By Steam》。但由于在实际使用时穿戴者必须背负一台小型蒸汽机,且Pedomotor的设计过于简单,无法完美地随人体完成复杂的结构变形,最终被无奈搁浅。

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Pedomotor外骨骼(图片来自GameG)

    近半个世纪后,我们直接来到1958年。此时正值冷战时期,美国为在军备、科技与太空领域全面超越苏联,成立了曾发明过因特网、GPS等伟大技术的美国国防先进研究项目局——DARPA。

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DARPA(图片来自extremetech)

    DARPA成立一年后,被誉为“美国科幻黄金时期的四大才子”之一的罗伯特·海因莱因在这一年出版了经典科幻小说《星船伞兵》,并首次提及了“增强装甲”概念。没有人会想到,这种听起来似天方夜谭的动力装甲在一夜间深深植根于美国发明家的思维中。

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星际争霸》的枪兵装甲非常接近《星船伞兵》中的“增强装甲”(图片来自17173)

    1960年,或许是受《星船伞兵》的启发,在Nail Mizen的带领下,专注于“黑科技”的DARPA开启了当代史上第一次真正意义上的动力外骨骼研发,也使得动力外骨骼首次军事化。但遗憾的是,这一装置由于供能不足,无法维持长久的续航,在那个相对保守的年代,被认为噱头大于实用的它被逐渐遗忘。

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哈迪曼(图片来自gereports)

    直到1965年,美国军方和通用公司联合研发了一部名为“哈迪曼(Hardiman)”的动力外骨骼装置。哈迪曼通过液压和电机驱动结构,一改DARPA遭遇的供能不足问题。配合力觉反馈感应系统,哈迪曼不仅能够感受穿戴者的动作意图,还能将用户的力量放大25倍。这一切看似完美,但整机重达680千克的它根本无法让穿戴者自如行走。

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哈迪曼最终被改造为机械臂(图片来自cyberneticzoo)

    尽管“哈迪曼”项目最终被改进成为一部机械手臂,但最终还是因操作困难而黯然落幕,这也标志美国在20世纪对动力外骨骼的研究以失败而告终。这是一个时代的终结,但并不代表着动力外骨骼自此无人问津,更不代表着美国就此停止对这一新兴领域的探索。

    我们来到世纪之交,DARPA这次又“坐不住了”。

3成熟:美帝豪掷数亿 全面布局军用

成熟:美帝豪掷数亿 全面布局军用

    2000年,加州伯克利大学接受了DARPA5000万美元的投资,并研制出了"Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(伯克利下肢外骨骼系统,即BLEEX)",这也是目前最“长寿”的动力外骨骼装置之一。

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BLEEX

    相比于在19世纪屡遭瓶颈的军用外骨骼,BLEEX的研发过程则显得更加沉稳、切合实际。专注于提升穿戴者负重的它将设计重心转移到腰间与腿部的支撑结构上。BLEEX不仅能让美军轻松担起90公斤的负重,同时还能穿越复杂的地形。当BLEEX的动力不足时,佩戴者还可以将它从腿部拆卸下来,并折叠成一个规格化的背包,方便存储与运输。

    实用性与便携性兼具的BLEEX为动力外骨骼的进一步研发指明了方向。不久后,一家位于美国犹他州、名为"Sarcos"的科研企业在接受了DARPA的订单之后也开始研究外骨骼系统。其首部成品在2006年经过了DARPA的方案审核,它就是近年来声名大噪的XOS。

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XOS(图片来自popsci)

    XOS具备前所未有的动作灵敏度,同时还可以提供高达6:1的力增比:紧贴身体表面的传感器能够直接感应到穿戴者的动作幅度和力度,通过电脑计算后,XOS可以输出相同的幅度和6倍的力度。不过遗憾的是,XOS初代原型机的续航时间仅有40分钟。

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XOS-2(图片来自robotshop)

    2007年美国军火巨头雷神公司收购了Sarcos,并于2010年研发出了XOS-2动力外骨骼系统。XOS-2重量轻了10%,能耗降低了50%。力增比达到了惊人的17:1。性能的全面增长使之深得美国军方认可,并被《时代》杂志列为2010年的50大发明之一。

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目前应用最广的HULC动力外骨骼(图片来自lockheedmartin)

    在XOS问世的同时,深耕于航空航天技术的洛克希德·马丁公司首次涉足动力外骨骼领域,并成功发布了HULC(Human Universal Load Carrier,人类负重外骨骼)系统。初代HULC可以提供大概90公斤的负重,并使得穿戴者在无负重感的条件下以接近16公里/时的冲刺速度疾行。

    经过洛克希德·马丁公司的不断改进,最新一代的HULC在加满燃油后不仅拥有24小时的超长续航,还能够完美同步士兵的复杂动作,其中包括深蹲、匍匐等。在美军TALOS项目(轻型战术突袭操作服)尚未完全实现前,可以说HULC是目前性能最强的单兵动力外骨骼装置,现已在美国军方全面展开试验。

4日本:转型医疗领域 民用装备兴起

日本:转型医疗领域 民用装备兴起

    除了美国,在其他国家中我们也不难觅得动力外骨骼的身影。只不过由于特定的政治、信仰或技术原因,这些外骨骼的功能特点往往面向民用。随着材料学、电气工程等科技领域的不断发展,在1997年,一个来自日本、名为"Cyberdyne"的公司开始了对动力外骨骼装置的全面研究。

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HAL(图片来自huffingtonpost)

    由Cyberdyne推出的HAL,是人体辅助义肢(Hybrid)的缩写。首部HAL骨骼增强原型机由日本筑波大学生产,在结合了电脑控制和电池供电系统后,HAL的整体重量不足25公斤,即便在今日看来也非常轻便。但也正是因为材料密度和硬度的不足,和军用标准相距甚远的它自问世起便着重被应用于民用负重及医疗领域,帮助残障伤患者行动或复健。

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HAL(图片来自verysmartdesign)

    通过近10年的研发,HAL辅助义肢已被开发至第5代,重量也由25公斤缩减到10公斤,进一步满足常人的承受力。通过感测体表的一些生物信息,例如肌肉的运动还有神经电流的改变,HAL可以模拟穿戴者的动作。并且在平行的方向上增强穿戴者的力量和耐久。目前HAL已于2014年在本国小规模上市,被认为是最成熟的民用外骨骼系统。

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Cyberdyne的新型民用产品(图片来自官网)

    有趣的是,为了避免HAL被军用化,Cyberdyne公司曾婉拒了美军和南韩军方的资助。也正是因此,吃了闭门羹的美国只能再次寄希望于自主研发,才有了上文中我们提到过的BLEEX外骨骼系统。科技需要梦想家,向Cyberdyne致敬!

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Rewalk(图片来自editionspropulseurs)

    此外,由新西兰科技公司REX Biotics设计研发,可代替轮椅的REX;以及由以色列埃尔格医学技术公司发明的ReWalk,都是近年来在医疗领域举足轻重的民用外骨骼系统。犹记得在去年落幕的巴西世界杯中,佩戴动力外骨骼的瘫痪青年——平托的那一脚开球让无数人为之动容。

    不过,尽管动力外骨骼在民用领域大有可为,但这并不代表着它真的面向平民。目前已上市的民用外骨骼系统平均售价在7万美元左右(约合人民币43.67万元),若想进一步控制成本,仍需假以时日。

5中国:外骨骼刚起步 希望与挑战并存

中国:外骨骼刚刚起步 希望与挑战并存

    相信很多网友都会问,我国是否研制过动力外骨骼?答案是肯定的。2013年,由南京军区总医院博士后工作站研发的首部外骨骼装置正式亮相,被定义为“单兵负重辅助系统”,面向军用领域、专注于压缩负重,并能够快速同步穿戴者的动作。尽管它被认为是目前国内最完善的外骨骼装置,但其功能相对单一,且负重能力以及设计结构仍有待提升。    

可穿戴黑科技 探秘跨世纪的动力外骨骼
左为南京军区外骨骼,右为中科院外骨骼(图片来自Google)

    此外,由中科院常州先进所设计研发的EXOP-1外骨骼系统已于2014年正式进入调试阶段。本体全部由航空铝打造的它配备了22个传感器、 6个驱动器和1个控制器,造价在30万元左右。相比于在南京亮相的军用外骨骼系统和国外先进的外骨骼装备,EXOP-1虽然同样能够减轻穿戴者的负重,但它的体积相对笨重,难以在短期内投入使用。

    在国内,刚刚起步的动力外骨骼仍面临着未知的前景与诸多挑战,其中主要体现在续航和动力的不足上。那么放眼国际,这一高新科技产业是否面临着同样的局限呢?

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动力外骨骼仍难以胜任高难动作(图片来自pinterest)

    虽然动力外骨骼已活跃于世界科技舞台近百年的时间,且在近几十年内取得了很大进展,但回到现实中,还有很多问题仍待解决。在最基本的动作同步上,肌电信号采集的方法有很严格的外界环境限制:传感器会因汗液等细微因素的影响而受到干扰,使得外骨骼在进行动作的反馈时产生延迟,难以胜任高难度动作。

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动力外骨骼会对人体造成压迫,导致血液不畅、肌肉变形(图片来自wired)

    其次,受限于外骨骼捆绑式的穿戴方法,会对人体造成压迫,导致血液不畅、肌肉变形,并因此影响外骨骼的定位精度。此外,由于目前外骨骼装置的续航、重量、韧性、弹性以及坚固性都有待提升,因此,开发全新的材料和便携式能源成为了目前最难攻克的技术难题。

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《使命召唤:高级战争》中的EXO系统非常理想化(图片来自gamegrep)

    就现阶段来看,动力外骨骼最理想的状态莫过于在《使命召唤:高级战争》中,由军事帝国Atlas一手打造的EXO系统:EXO在保证了对力学的完美同步与增幅之余,还能通过各种喷气装置辅助士兵进行侧滑、二段跳等战术动作。

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外骨骼的最终形态或许是《孤岛危机》中的纳米装甲(图片来自playstation)

    然而,人类的想象没有终点。若干年后,我们或许会看到动力外骨骼将变成贴身衣物。具有高强度、轻量且耐磨等特性的它,能够被广泛应用于救火、抢险等与百姓息息相关的危急环境中。

    纵使前方荆棘密布,但笔者依然希望从艺术中走出的动力外骨骼能够以更加“艺术”的形式存在于即将到来的“近未来”。


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