185年了,技術是如何讓人類成為Iron Man的?

雷鋒網 於 12/12/2015 發表 收藏文章
【編者按】本文作者allenxu,本文將講述185年來,可穿戴裝備外骨骼系統發展的歷史過程。

無數曾經的科幻作品內容在今天已經成為了事實甚至已經面臨淘汰,可否讓那些古代的盔甲以及能夠真正像昆蟲或者軟體動物的外骨骼一樣成為身體的附加式“人工器官”呢?


在美國猶他州一座祕密山地實驗室,軟件工程師雷克斯·詹姆森穿上一件金屬機械外衣。他套上鋁靴,捆緊腿上和腰間的皮帶,背上揹包,手臂伸進“袖子”,握住操縱桿。看上去比穿一件外套複雜不了多少。

然後他開始移動,此時,機械外衣一下子獲得生命,配合着他的一舉一動。他舉起他的拳頭,做拳擊動作,左右腳交換着單腳跳躍,彷彿拳王阿里,雖然穿着150磅的鐵外衣,看上去卻很輕鬆。他能輕易把旁邊的程序員推倒在地上,或者推翻一張桌子—但是更讓人驚奇的是,他能整天這樣做。為了展示他超人般的耐力,他走向一個放槓鈴的架子,舉起負重200磅的槓鈴。然後,他又舉了一次,又一次。50下時,他放下槓鈴。從前的實驗中,他曾連續500次舉起200磅重槓鈴。最後之所以放棄,並非因為疲倦,而是厭煩。

引用“嘿,兄弟,你這穿的是什麼,這麼厲害?”

“哦,沒什麼,只是之前無聊研發的一個叫XOS的機甲系統而已,用來玩玩打發下時間,科研太無聊拉。”

“......”


Allen早前看完《Iron Man》之後,一直念念不忘託尼·斯達克那身高科技的機甲裝備。抗摔、耐擊打,會飛行,能自動瞄準並開火。任何人穿上這身裝備,自然搖身一變成為Iron Man,拯救世界的任務就交給你啦!

很多人可能會覺得很神奇的樣子,但Allen想説的是,這是真的!

引用這樣的機甲裝備其實就是一直被熱炒的“可穿戴設備”,在專業領域一般用Exoskeleton(外骨骼)這個詞彙來指代。外骨骼(Exoskeleton)一詞,源自節肢動物門的動物。

一般來説,生物界通常把具備堅韌特性的幾丁質體表層稱為外骨骼,外骨骼最為重要的作用就是保護生物相對脆弱柔軟的軀體和臟器。我們通常能夠見到的螃蟹、蝦等動物的外殼都可以稱之為是外骨骼!


(蝦是最典型的外骨骼生物)

從這種特性上來説的話,其實我們人類早就千百年前就從動物身上發現了外骨骼的好處並加以利用,比如中世紀重裝騎兵們的護身盔甲以及後來出現的潛水裝具,甚至是宇航員所穿的保護服都可以算做是一種外骨骼。正是這些形形色色的“外骨骼”幫助人類得以客服惡劣的自然環境保護我們相對柔弱的身體。
讓我們把時間回溯到1830年的英國,時任英國著名插畫師Robert Seymour當時也是太無聊了,於是腦洞大開,手繪了一幅畫:《Walking By Steam》。


引用自此,以蒸汽為動力的行走輔助裝置啟迪了無數科學工作者對這一概念的探索,也成為了當代動力外骨骼技術的雛形。

再次把時光針撥到1890年的時候,當時一位來自俄羅斯的天才少年尼古拉斯·亞金發明瞭一套可以輔助人們行走、奔跑和跳躍的外骨骼裝置。然而,由於這一裝置的構造過於簡單:

引用僅僅有鋼板彈簧和氣囊式氣壓閥,因此它仍需要人的行走來驅動它,並不能提供額外的動力,所以它仍算不上真正意義上的動力外骨骼。


但即便如此,這些敢為人先的藝術家與發明家依然為後人留下了寶貴的借鑑價值。於是,更加成熟的構思與創造在20世紀的美國開花結果。

到了1917年的美國,當時正處於工業革命時期,社會一片繁榮。發明家萊斯利·凱利提出了一部名為”Pedomotor“的步動輔助裝置,由蒸汽驅動的它奠定了現代動力外骨骼的研發基礎,也率先還原了Robert Seymour的《Walking By Steam》。但由於在實際使用時穿戴者必須揹負一台小型蒸汽機,且Pedomotor的設計過於簡單,無法完美地隨人體完成複雜的結構變形,最終被無奈擱淺。


(pedemotor 外骨骼)

近半個世紀過後,我們將目光放在1958年。此時正值冷戰時期,美國為在軍備、科技與太空領域全面超越蘇聯,成立了曾發明過因特網、GPS等偉大技術的美國國防部高級研究計劃署——DARPA,就是這個機構援助了眾多具有前瞻性的生物科技,包括達芬奇機器人項目。

DARPA成立一年後,被譽為“美國科幻黃金時期的四大才子”之一的羅伯特·海因萊因在這一年出版了經典科幻小説《星船傘兵》,並首次提及了“增強裝甲”概念。沒有人會想到,這種聽起來似天方夜譚的動力裝甲在一夜間深深植根於美國發明家的思維中。


在1960年代的時候,或許是受《星船傘兵》的啟發,在Nail Mizen的帶領下,專注於“黑科技”的DARPA開啟了當代史上第一次真正意義上的動力外骨骼研發,也使得動力外骨骼首次軍事化。但遺憾的是,這一裝置由於供能不足,無法維持長久的續航,在那個相對保守的年代,被認為噱頭大於實用的它被逐漸遺忘

引用1961年,Cornell Aeronautical Labs開始研發真正意義上的外骨骼系統Man-Amplifier。


1963年,當漫威漫畫主角“Iron Man”最早出現時,軍隊也在構想自己的“鐵人”。當時美國陸軍武器研究者謝爾蓋·扎魯德尼發表了一份報告,描述他設計的可穿戴機器外衣,它將使穿着者獲得綠巨人式的力量,但是當時還不存在實現這個構想的技術,除了少數非軍事設計外,真正超能外衣的前景渺茫。

直到1965年,美國軍方和通用公司聯合研發了一部名為“哈迪曼(Hardiman)”的動力外骨骼裝置。哈迪曼通過液壓和電機驅動結構,一改DARPA遭遇的供能不足問題。配合力覺反饋感應系統,哈迪曼不僅能夠感受穿戴者的動作意圖,還能將用户的力量放大25倍。這一切看似完美,但整機重達680千克的它根本無法讓穿戴者自如行走。


(Hardiman)

後來,Hardiman最終被改變為機械臂。


(Hardiman最終被改變為機械臂)

時間來到實際之交的2000年,計算機迅猛發展,一切條件都開始變得成熟起來,研究不再是侷限於某個領域,此時美帝一擲千金,開始全面佈局機甲製造。

2000年的時候,美國國防部高級研究計劃署(DARPA)開始了為期7年投資7500萬美元的機械外骨骼研究計劃(Exoskeletons for Human Performance Augmentation,EHPA)。那時,少數機械外骨骼支持者認為(包括美國陸軍上校傑克·奧布瑟克)技術終於追趕上構想。從1995年起,奧布瑟克就協助推進外骨骼研究。

引用他説,隨着感應器日益變得更小,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。


但是Darpa野心勃勃的目標誰看了都覺得不切實——

引用它想要一種神奇的機器,它能讓士兵連續幾天拖着幾百磅重物奔跑,卻不覺疲憊;它能讓士兵靈活操作通常需要兩人駕馭的武器;能夠揹着兩名負傷的戰友輕鬆撤離戰場。他們要求這套機械外衣能附帶裝甲,讓敵人炮火對它無可奈何。他們甚至希望它能幫助士兵跳得更高。

啟動計劃前,DARPA諮詢的一些顧問立刻指出他們的構想不切實際。初期負責Darpa鐵人計劃的康沃爾大學工程師伊夫拉辛·加西亞説,“我詢問的人之中,一半對它篤信不疑,另一半認為它根本就是浪費時間、金錢和資源。”那些潑冷水的人並沒有錯,他補充説,“這確實是一項艱鉅挑戰。”

機械外骨骼將需要一套輕盈的動力系統,能夠連續幾天提供電能;它還需要小巧強大的人工肌肉;一套複雜的動作控制系統。它還必須行動靈敏、反應迅速。


外骨骼必須成為士兵的機械影子,能夠讀懂他的一舉一動,及時地模仿他的每個動作,即使是毫秒的遲疑也會造成負擔,讓士兵感覺像行走在水中一樣費力。

引用這套機械外衣的感應器必須能夠以每秒幾千次的速度讀懂施加在它全身的每個輕微動作,它的微處理器必須足夠強大,能把這些數據及時轉換成指令傳送給機械四肢,使它們與內部穿着者的行動協調一致。

然而,2000年時候的英特爾微處理器還沒有這麼強大的數據處理能力,就像早期的虛擬現實頭盔一樣,時機尚未成熟。

當時加州伯克利大學接受了DARPA 5000萬美元的投資,並研製出了”Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(伯克利下肢外骨骼系統,即BLEEX)”,這也是目前最“長壽”的動力外骨骼裝置之一。這款設備讓當時的外骨骼製造精英企業Ekso公司出盡了風頭。


(BLEEX. 2004)

相比於在19世紀屢遭瓶頸的軍用外骨骼,BLEEX的研發過程則顯得更加沉穩、切合實際。專注於提升穿戴者負重的它將設計重心轉移到腰間與腿部的支撐結構上。BLEEX不僅能讓美軍輕鬆擔起90公斤的負重,同時還能穿越複雜的地形。當BLEEX的動力不足時,佩戴者還可以將它從腿部拆卸下來,並摺疊成一個規格化的揹包,方便存儲與運輸。實用性與便攜性兼具的BLEEX為動力外骨骼的進一步研發指明瞭方向。

不久後,一家位於美國猶他州、名為”Sarcos(薩克斯)”的科研企業在接受了DARPA的訂單之後也開始研究外骨骼系統。其首部成品在2006年經過了DARPA的方案審核,它就是近年來聲名大噪的XOS。


XOS重達68公斤,能夠讓穿戴者輕鬆舉起90公斤的重物。其具備前所未有的動作靈敏度,同時還可以提供高達6:1的力增比:緊貼身體表面的傳感器能夠直接感應到穿戴者的動作幅度和力度,通過電腦計算後,XOS可以輸出相同的幅度和6倍的力度。不過遺憾的是,XOS初代原型機的續航時間僅有40分鐘。

在2005年的時候,UC Berkeley機器人和人體工程實驗室三名學者創立了Berkeley Bionics。同年發佈ExoHiker系列,提高長途承重至150磅/70公斤,2007年承重升級至200磅/90公斤。

2009年Berkeley Bionics發佈了液壓傳動的人類外骨骼負重系統(HULC/Human Universal Load Carrier),承重力200磅/90公斤(包括武器、彈藥、電子設備、防彈衣等),能夠大幅提高單兵作戰能力。同年Berkeley Bionics將HULC技術獨家授權給Lockheed Martin公司。


(HULC動力外骨骼)

其實早在XOS問世的時候,深耕於航空航天技術的洛克希德·馬丁公司就開始涉足動力外骨骼領域,在Berkeley Bionics公司技術幫助下,成功發佈了HULC(Human Universal Load Carrier,人類負重外骨骼)系統。初代HULC可以提供大概90公斤的負重,並使得穿戴者在無負重感的條件下以接近16公里/時的衝刺速度疾行。

經過洛克希德·馬丁公司的不斷改進,最新一代的HULC在加滿燃油後不僅擁有24小時的超長續航,還能夠完美同步士兵的複雜動作,其中包括深蹲、匍匐等。


在2010年的時候,收購了Sarcos的美國軍火巨頭雷神公司推出更為輕便和完善的第二代產品XOS2,它相比第一代更為結實和靈活,同時還降低了動力的損耗。穿戴者可以完成上千次俯卧撐卻若無其事,輕而易舉地舉起重達200磅的物體,單手劈開厚達3英寸的木板。

地點突然轉移到了阿富汗一座隱蔽的碉堡裏,4個背步槍的男人守衞着一扇厚重生鏽的大門。砰!一個巨大的拳頭從裏面錘打大門。砰!猛烈的撞擊,鐵門出現凹痕。門猛烈震動,鉸鏈脱落。衞兵畏縮,後退。要從門後衝出來的東西必然是個氣急敗壞的大傢伙。

引用門突然被撞開,一個金屬巨人衝出。它看似一個機器人,但是,在鐵甲內,著名的武器設計師託尼·斯塔克操縱這頭金屬怪獸。子彈被鐵甲反彈回,幾乎不留痕跡。他一拳把衞兵打倒在地,怒視周圍的敵軍營地,打開手臂上火焰噴射器,將據點燒成火海。

這只不過是《Iron Man》裏的一個情節而已,然而卻成為了另一項計劃的開始。


在2012年底的時候,美國特種部隊海豹六隊在阿富汗東部解救一名美國醫生人質時,一名特種兵遭遇槍殺。此事件直接導致了美軍特種作戰司令部(USSOCOM)於2013年啟動新的外骨骼研究計劃——戰術突襲輕甲項目(Tactical Assault Light Operator Suit, TALOS)。


美國特種作戰司令部把戰術突襲輕甲劃分成若干個功能模塊,對每個模塊提出了具體的研製要求,最終這些模塊將整合成完整的動力盔甲系統。我們可以從中管窺一下未來單兵動力盔甲的發展方向。

動力與能源:能源內置且體積儘量小,動力系統的運行安靜且無需氧氣,集成化能源管理系統。動力系統除支持外骨骼的運動外還需支持可穿戴計算機、可編程無線電和發射天線。

機動性:能大大增強穿戴者的靈活性和力量的動力外骨骼系統,動作自然無變形,低功耗設計。

盔甲:全身能防禦普通步槍的射擊並抵禦爆炸的衝擊,強化頭部/頸部和身體要害區域的防護。盔甲使用先進材料製造,以最輕的重量獲取最大的保護。具有有限的水下呼吸能力。

攻擊系統:全向頻閃眩目燈、致人暫時失能的大功率揚聲器、可重複使用的高壓電擊器等非致命性武器。

人機接口:嵌入式健康監測系統,能實時監測穿戴者心理和生理指標。可以調節盔甲內部温度的空調系統。能自動記錄盔甲的操作信息。頭盔顯示器可以為穿戴者提供傳感器陣列獲取的環境信息,增強態勢感知能力。

數據和控制:機載多核實施處理器,支持持續改進的開源結構,機載數據儲存器。

通信系統:高寬帶通信系統,可拆卸的應急通信裝置。

TALOS項目由56家公司、18個政府機構、13個大學和10個國家實驗室共同參與,其中包括包括特效模型生產商Legacy Effects、小型科技公司以及雷神(Sarcos / Raytheon)、洛克希德·馬丁(Ekso / Lockheed Martin)和通用動力(General Dynamics)等國防軍工企業。

該項目的研究目標已經接近標準科幻中的設定場景了:不僅具備防彈、助力、夜視、增強現實的能力,還能監測生命體徵、自動噴藥等。

不過,在太平洋彼岸的日本,則又是另一番景象了。

【作者介紹】動脈網,關注互聯網醫療創業,以媒體的視角,站在新技術重塑醫療保健領域的當下去觀察行業脈動。


資料來源:雷鋒網
作者/編輯:動脈網

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標籤: Iron Man  

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