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动力外骨骼
发布于2015/08/25  

  动力外骨骼,最初出现在科幻小说中的机械及电子设备,是一种能够增强人体能力的可穿戴机器。它能够帮助人们跑得更快、跳得更高、能够携带更多更重的东西,并且帮助穿戴它的人在战场、建筑工地或者其它有危险的地方生存下来。这项技术已经有二十多年的历史,但是出于技术原因,这些装置现在还没有广泛应用,只在实验室或者试验场里闪闪发亮。
  工作原理
  动力外骨骼通过传感器来收集使用者的活动信息,这些信息传递给信息处理器进行处理,然后启动相应的机械部件来输出能量。在动力外骨骼中可以使用的传感器种类很多,包括角辨向器、肌电传感器、地面传感器、肌肉压力传感器等等。同样,用于输出的机械系统也有很多选择,目前液压系统和气压系统是比较常见的。
  在某些意义上,动力外骨骼可能比《终结者》中的T600那样的机器人更复杂。动力外骨骼需要在极短的时间内判断出使用者的动作意图,并且给予恰如其分的帮助。现在最成熟的军用动力外骨骼采用肌肉压力传感器来收集用户动作。当人弯曲手肘时,上臂的肌肉纤维组织会紧靠在一起,从而牵动肌键运动,直观表现就是肌肉隆起。在动力外骨骼与皮肤接触的肌肉压力传感器收集肌肉收紧的强度和方向,从而感应到操纵者的动作意图。它会把收集得到的数据资料传达给信息处理器——这是一个安装在背部的“背包”,可以看成一台电脑——信息处理器计算如何移动外骨骼让使用者用力最小,然后再把指令传递到相关的关节,通过关节内部的液压机构传动装置产生精确的力量,从而做到与人的动作同步。当然,实际上还是有一点时滞的,但是时滞被控制在无法察觉的程度。在现代信息技术的帮助下,动力外骨骼以每秒数千次的速度调整全身每一个关节,让使用者几乎察觉不到它的存在。
  发展历程
  早在1960年,通用电气就开始了机械外骨骼的研究,但是当时他们开发的设备只有一只手。麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)从1978年也开始了研究,但是目前看起来比较有希望的是一家坐落在盐湖城的公司。这家叫做Sarcos的公司在1983年就开始了这方面的探索,公司创始人斯蒂芬·雅克布森(Stephen Jocabsen)亲切地叫它XOS。2000年XOS从14个类似的装备中脱颖而出,被美国国防部高级研究计划署——就是这个机构发明了互联网——选中,并且把打算它应用在军队中。这项研究在高级研究计划署的资金支持下开始迅速发展,后来Sarcos被美国一家国防部承包商雷神(Raytheon)公司收购,有望能在2008年推出成品,并且在2009年进行战场实验。
  除了军方外,动力外骨骼在民用领域也大有可为。日本筑波大学的机械人专家三阶吉行和他的同事们在2004年创建了一个叫做“Cyberdyne”的公司,开始把他们花了十年时间研制的动力外骨骼推向市场。这种动力外骨骼叫做HAL,是人体辅助义肢(Hybrid Assistive Limb)的缩写,主要用于医疗领域,帮助残障者行动和伤患复健,以及为护士们助力。现在已经有了上市的产品,当然,和军用标准相距甚远。
  现在,美国国防部研究计划署(DARPA)投资五千万美元为地面部队开发外骨骼套装。这种可穿戴的机器人系统可以使士兵能够跑得更快、携带更重的武器以及跳过较大的障碍物。外骨骼在非军事领域的应用潜力同样十分巨大。2000年,DARPA征求人体能力增强系统的建议书,很快将会签约并开始外骨骼的开发。军方机构称,对这种新技术的测试至少要在十年之后才能进行,而要士兵能够穿上这些身体加强系统参加战斗,则可以需要更长的时间。根据预测,这些外骨骼系统能够提高士兵的力量和速度,而且还能通过内置的计算机辅助士兵在国外领土行军。但是,这种系统仍存在一些问题,包括如何为这些机器提供能量,它们将如何响应人体动作等。
  研究计划
  DARPA外骨骼计划的目标是让普通士兵变成可以跳过较高物体和高速奔跑的超级士兵。该计划现在仍处于初期阶段,所以这些可穿戴机器的具体细节仍然非常模糊。不过DARPA已经为这些可穿戴机器确定了一些可以期待的东西。下面是研究人员期望外骨骼在士兵身上实现的目标。
  1、增大力量:士兵将能够携带更多的武器和军需品。通过增大力量,士兵还将能够在行军时移走途中的大障碍物。它还将使士兵能够穿上较重的身体护甲和其他防弹护具。20世纪60年代,通用电气公司(GE)与美国军方合作开发了一个外骨骼,称为Hardiman。它使得举起120公斤的重物就像举起5公斤重物那样轻松。
  2、提高速度:普通人走路的时速为6至10公里,但是士兵通常还要在背包里携带重达约70公斤的军需品。在背负如此多的重物时,即使是条件最好的军队也难以很快行进。现在还不确定DARPA的外骨骼将能够走多快。不过测试表明,一种独立开发的身体放大器弹簧行走器的时速可超过16公里。
  3、跳得更高和更远:现在还不清楚穿上机械套装将能够跳多远和跳多高,但是军方希望这种机器能够帮助士兵跳过降低行军速度的一般障碍物。
  总的来说,士兵在不可预测的地形中长距离行军时,此装备可提高自己的耐久性。借助增大的力量,他们还将能够修复凭人体自身力量难以修复的重型设备。专家认为,由于增加了身体护甲,伤亡人数将变得更少。
  这些外骨骼机器还将配备传感器和全球定位系统(GPS)接收器。利用这一技术,士兵可以了解有关他们正在穿越的地形的信息,从而找出行进到指定位置的最佳路线。DARPA还在开发与外骨骼配套使用的计算机化织物,用于监视士兵的心率和呼吸率。
  如果研制顺利,美国军队将普遍配备这些外骨骼,届时将出现大量可以跳得更高、跑得更快以及能举起巨大重量的超级士兵。然而,预期开发这些设备需要数年甚至数十年。在下一部分中,你将了解负责开发这些外骨骼的研究人员所面临的一些障碍。
  技术挑战
  DARPA不是第一个尝试建造外骨骼机械套装的组织。如前所述,GE在20世纪60年代便开发了称为Hardiman的液压和电动套装。该套装的问题是,它太过笨重(接近700公斤),根本不实用。今天有了更先进的材料,例如可用于建造更现代化的外骨骼的碳化纤维和其他材料。然而,该项目也并非没有挑战。
  若要使外骨骼机器发挥作用,必须综合考虑五种因素:结构、能量、控制、促动和生物机械学。每种因素都有自己的一系列挑战。下面是DARPA概括的一些挑战:
  1、构造材料:外骨骼必须用坚韧、轻质且有弹性的复合材料制成。该材料自身还必须能够抵御敌方火力,以保护穿用者。
  2、能量源:这些限制主要来自于能源——现在所使用的能源装置实在是有点支持不了动力外骨骼的能量消耗。补给能量之前,外骨骼具有的能量必须足以支持24小时。此外,产生能量的装置必须便于背挎。对于外骨骼研制者而言,创造出零噪音机器可能是最困难的一项任务。
  3、控制:机器的控制必须是无缝的。使用者在穿上该设备后必须能够正常活动。
  4、促动:设计者必须使机器能够顺畅移动,以便穿用者不会太笨拙。与发动机一样,促动器也必须安静而高效。
  5、生物机械学:外骨骼必须能够左右和前后移动,就像人在战场中那样行进。如果它没有这种能力,则穿用该套装的士兵就可能处于极其危险的境地。开发者设计的结构必须像人体一样带有可弯曲的关节。
  军用外骨骼将是人类研制的最复杂的机器之一,它还能促进机器人的开发,令机器人更像人类。外骨骼必须能够感应人体活动并对其做出反应。它们还必须能够将来自能量源的能量转换为可用的促动能量,以辅助穿用者开展活动。摆在开发者面前的挑战是巨大的,为了开发出这种外骨骼,新的设备和发明也将不断涌现。

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