動力外骨骼，最初出現在(zai)科幻小說中(zhong)的機械及(ji)電(dian)子設備，是(shi)一(yi)種能夠(gou)增強人(ren)體能力的可穿戴(dai)機器。它(ta)能夠(gou)幫助人(ren)們跑得(de)更快、跳得(de)更高、能夠(gou)攜帶更多更重的東西，并且幫助穿戴(dai)它(ta)的人(ren)在(zai)戰場、建筑工地或者(zhe)其它(ta)有危(wei)險的地方生(sheng)存下(xia)來(lai)。這(zhe)項技術已經有二十多年的歷史(shi)，但(dan)是(shi)出于技術原因，這(zhe)些裝置現在(zai)還(huan)沒有廣泛應(ying)用，只在(zai)實驗室或者(zhe)試驗場里閃(shan)閃(shan)發亮。
動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼通過傳(chuan)感器(qi)(qi)來收集使(shi)用者的(de)(de)活動(dong)(dong)(dong)信息，這些(xie)信息傳(chuan)遞給信息處理(li)器(qi)(qi)進(jin)行處理(li)，然后啟動(dong)(dong)(dong)相應的(de)(de)機械部(bu)件來輸出能量。在動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼中(zhong)可以使(shi)用的(de)(de)傳(chuan)感器(qi)(qi)種類(lei)很(hen)多，包括角辨向器(qi)(qi)、肌電傳(chuan)感器(qi)(qi)、地面傳(chuan)感器(qi)(qi)、肌肉壓(ya)力(li)(li)傳(chuan)感器(qi)(qi)等等。同樣，用于輸出的(de)(de)機械系(xi)統(tong)也有(you)很(hen)多選(xuan)擇，目前液壓(ya)系(xi)統(tong)和氣壓(ya)系(xi)統(tong)是比較(jiao)常見的(de)(de)。
在(zai)某些意(yi)義上，動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)可能比《終結者(zhe)(zhe)》中的(de)(de)T600那樣的(de)(de)機器(qi)人(ren)(ren)更復雜。動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)需要在(zai)極短(duan)的(de)(de)時(shi)(shi)間內判斷出使用(yong)(yong)者(zhe)(zhe)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)意(yi)圖，并且給予恰如其(qi)分(fen)的(de)(de)幫(bang)助。現(xian)在(zai)最(zui)成(cheng)熟的(de)(de)軍用(yong)(yong)動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)采(cai)用(yong)(yong)肌(ji)(ji)(ji)肉壓力(li)(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)來收(shou)集(ji)用(yong)(yong)戶動(dong)(dong)(dong)作(zuo)。當人(ren)(ren)彎曲手(shou)肘時(shi)(shi)，上臂(bei)的(de)(de)肌(ji)(ji)(ji)肉纖維(wei)組(zu)織會緊(jin)靠在(zai)一(yi)(yi)起(qi)，從而(er)(er)牽(qian)動(dong)(dong)(dong)肌(ji)(ji)(ji)鍵運(yun)動(dong)(dong)(dong)，直觀表現(xian)就是肌(ji)(ji)(ji)肉隆(long)起(qi)。在(zai)動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)與皮膚接(jie)觸的(de)(de)肌(ji)(ji)(ji)肉壓力(li)(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)收(shou)集(ji)肌(ji)(ji)(ji)肉收(shou)緊(jin)的(de)(de)強度(du)和方向，從而(er)(er)感(gan)(gan)應到(dao)操縱者(zhe)(zhe)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)意(yi)圖。它(ta)(ta)會把收(shou)集(ji)得到(dao)的(de)(de)數據資料傳(chuan)(chuan)達給信(xin)(xin)息處理器(qi)——這是一(yi)(yi)個安裝(zhuang)在(zai)背部的(de)(de)“背包”，可以看成(cheng)一(yi)(yi)臺(tai)電腦(nao)——信(xin)(xin)息處理器(qi)計(ji)算如何移動(dong)(dong)(dong)外(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)讓使用(yong)(yong)者(zhe)(zhe)用(yong)(yong)力(li)(li)最(zui)小，然后再把指(zhi)令傳(chuan)(chuan)遞到(dao)相關的(de)(de)關節，通過關節內部的(de)(de)液壓機構傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)(dong)裝(zhuang)置產生精確的(de)(de)力(li)(li)量，從而(er)(er)做到(dao)與人(ren)(ren)的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)同步。當然，實際上還是有一(yi)(yi)點時(shi)(shi)滯的(de)(de)，但是時(shi)(shi)滯被控制(zhi)在(zai)無法察(cha)覺的(de)(de)程度(du)。在(zai)現(xian)代信(xin)(xin)息技術(shu)的(de)(de)幫(bang)助下，動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼(ge)(ge)以每(mei)秒數千次的(de)(de)速度(du)調整(zheng)全身每(mei)一(yi)(yi)個關節，讓使用(yong)(yong)者(zhe)(zhe)幾(ji)乎察(cha)覺不到(dao)它(ta)(ta)的(de)(de)存(cun)在(zai)。
早在(zai)1960年(nian)，通用電氣就(jiu)開始(shi)了(le)機(ji)械外骨骼(ge)的(de)研(yan)究，但是(shi)(shi)當時(shi)他們(men)開發(fa)的(de)設備只(zhi)有一(yi)只(zhi)手(shou)。麻(ma)省理工(gong)學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）從1978年(nian)也開始(shi)了(le)研(yan)究，但是(shi)(shi)目前看起來比較有希望的(de)是(shi)(shi)一(yi)家坐落在(zai)鹽湖城的(de)公(gong)司。這家叫(jiao)做Sarcos的(de)公(gong)司在(zai)1983年(nian)就(jiu)開始(shi)了(le)這方面(mian)的(de)探(tan)索，公(gong)司創始(shi)人斯(si)蒂芬·雅克布森（Stephen Jocabsen）親切地叫(jiao)它(ta)XOS。2000年(nian)XOS從14個類(lei)似的(de)裝備中(zhong)脫穎而(er)出，被美國(guo)(guo)國(guo)(guo)防(fang)部(bu)高(gao)級研(yan)究計劃署——就(jiu)是(shi)(shi)這個機(ji)構發(fa)明了(le)互(hu)聯網——選中(zhong)，并且把打算它(ta)應用在(zai)軍隊中(zhong)。這項研(yan)究在(zai)高(gao)級研(yan)究計劃署的(de)資金(jin)支(zhi)持下開始(shi)迅速(su)發(fa)展，后來Sarcos被美國(guo)(guo)一(yi)家國(guo)(guo)防(fang)部(bu)承(cheng)包(bao)商(shang)雷神（Raytheon）公(gong)司收(shou)購，有望能在(zai)2008年(nian)推出成品(pin)，并且在(zai)2009年(nian)進行戰場實(shi)驗(yan)。
除了軍方外(wai)(wai)，動(dong)力外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)在民用領(ling)域(yu)也大(da)有可為(wei)。日本筑波大(da)學的(de)(de)機械人專家(jia)三階吉行和他的(de)(de)同事們在2004年創(chuang)建(jian)了一個叫做(zuo)“Cyberdyne”的(de)(de)公(gong)司，開始(shi)把(ba)他們花了十年時間研制的(de)(de)動(dong)力外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)推向市(shi)場。這種動(dong)力外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)叫做(zuo)HAL，是人體輔助(zhu)義肢（Hybrid Assistive Limb）的(de)(de)縮寫(xie)，主要用于(yu)醫療領(ling)域(yu)，幫助(zhu)殘障者行動(dong)和傷患復健，以及為(wei)護士們助(zhu)力。現(xian)在已(yi)經有了上(shang)市(shi)的(de)(de)產(chan)品，當然，和軍用標準相距甚遠。
現(xian)在(zai)，美(mei)國國防部研(yan)究(jiu)計劃(hua)署（DARPA）投資五千萬美(mei)元為地面部隊開發(fa)外骨骼(ge)套裝(zhuang)。這(zhe)(zhe)種可(ke)穿戴的(de)機器(qi)人(ren)系(xi)統可(ke)以使士(shi)兵(bing)(bing)能(neng)(neng)夠跑得更快(kuai)、攜(xie)帶更重的(de)武(wu)器(qi)以及跳過較大的(de)障(zhang)礙物。外骨骼(ge)在(zai)非軍事領域(yu)的(de)應用(yong)潛力(li)同樣十分巨大。2000年(nian)，DARPA征求人(ren)體能(neng)(neng)力(li)增強(qiang)系(xi)統的(de)建議(yi)書(shu)，很(hen)快(kuai)將(jiang)會簽約并開始外骨骼(ge)的(de)開發(fa)。軍方機構稱，對這(zhe)(zhe)種新技術的(de)測試至少要(yao)在(zai)十年(nian)之后才能(neng)(neng)進行，而要(yao)士(shi)兵(bing)(bing)能(neng)(neng)夠穿上這(zhe)(zhe)些(xie)身體加強(qiang)系(xi)統參加戰斗，則可(ke)以需要(yao)更長(chang)的(de)時間。根據預測，這(zhe)(zhe)些(xie)外骨骼(ge)系(xi)統能(neng)(neng)夠提(ti)高士(shi)兵(bing)(bing)的(de)力(li)量(liang)和速度，而且(qie)還能(neng)(neng)通過內置的(de)計算機輔(fu)助士(shi)兵(bing)(bing)在(zai)國外領土(tu)行軍。但是，這(zhe)(zhe)種系(xi)統仍存(cun)在(zai)一些(xie)問題，包(bao)括如何為這(zhe)(zhe)些(xie)機器(qi)提(ti)供能(neng)(neng)量(liang)，它們將(jiang)如何響應人(ren)體動作等。
DARPA外骨骼計劃的(de)目標(biao)是(shi)讓普通士兵(bing)變成(cheng)可(ke)以(yi)跳過(guo)較(jiao)高物體(ti)和高速奔跑(pao)的(de)超級士兵(bing)。該(gai)計劃現在(zai)仍處于初期階段，所(suo)以(yi)這些(xie)可(ke)穿戴(dai)機器的(de)具體(ti)細節仍然(ran)非(fei)常模糊。不過(guo)DARPA已經為這些(xie)可(ke)穿戴(dai)機器確(que)定(ding)了一(yi)些(xie)可(ke)以(yi)期待的(de)東西。下面是(shi)研究(jiu)人員(yuan)期望外骨骼在(zai)士兵(bing)身(shen)上實現的(de)目標(biao)。
1、增大力量：士(shi)(shi)兵將能夠(gou)攜帶更多的(de)武器(qi)和(he)軍(jun)需品。通(tong)過增大力量，士(shi)(shi)兵還將能夠(gou)在行(xing)軍(jun)時移(yi)走途中的(de)大障礙物(wu)。它還將使士(shi)(shi)兵能夠(gou)穿上較(jiao)重的(de)身體護甲和(he)其(qi)他防(fang)彈護具。20世紀(ji)60年代，通(tong)用電氣公(gong)司(GE)與美國軍(jun)方合作(zuo)開發了一個外骨骼，稱為Hardiman。它使得舉(ju)起120公(gong)斤的(de)重物(wu)就像舉(ju)起5公(gong)斤重物(wu)那樣輕松。
2、提高(gao)速(su)度(du)：普通人走路的(de)(de)(de)時(shi)速(su)為(wei)6至10公(gong)里，但是士兵通常還要在(zai)背包里攜(xie)帶(dai)重達約70公(gong)斤的(de)(de)(de)軍(jun)需品。在(zai)背負(fu)如此多(duo)的(de)(de)(de)重物時(shi)，即使是條件最好的(de)(de)(de)軍(jun)隊也難以(yi)很(hen)快行(xing)進(jin)。現在(zai)還不確定DARPA的(de)(de)(de)外骨骼將(jiang)能夠走多(duo)快。不過(guo)測試表明，一種獨立開(kai)發的(de)(de)(de)身(shen)體放大器(qi)彈簧行(xing)走器(qi)的(de)(de)(de)時(shi)速(su)可超過(guo)16公(gong)里。
3、跳(tiao)得更高和更遠：現在還不(bu)清楚穿(chuan)上機械套裝將能夠跳(tiao)多遠和跳(tiao)多高，但(dan)是軍(jun)方希(xi)望(wang)這種機器能夠幫(bang)助士兵(bing)跳(tiao)過降(jiang)低行軍(jun)速度的一般(ban)障礙物。
總的(de)來說，士兵(bing)(bing)在不可預測的(de)地形中長距離行軍時，此(ci)裝備可提高(gao)自(zi)己(ji)的(de)耐久性。借助增大的(de)力量，他(ta)們(men)還將(jiang)(jiang)能夠修(xiu)復憑人體自(zi)身(shen)力量難以修(xiu)復的(de)重型設備。專家(jia)認為，由于增加了身(shen)體護甲，傷亡(wang)人數將(jiang)(jiang)變得(de)更少(shao)。這些外骨(gu)骼機器還將(jiang)(jiang)配(pei)備傳(chuan)感(gan)器和(he)全(quan)球(qiu)定位(wei)系統(GPS)接收器。利用(yong)這一技術，士兵(bing)(bing)可以了解有關他(ta)們(men)正(zheng)在穿越(yue)的(de)地形的(de)信息，從而找(zhao)出行進到指定位(wei)置的(de)最(zui)佳路(lu)線。DARPA還在開發與(yu)外骨(gu)骼配(pei)套使用(yong)的(de)計算機化(hua)織(zhi)物，用(yong)于監視士兵(bing)(bing)的(de)心率和(he)呼吸率。
如果研(yan)制順利(li)，美國(guo)軍隊將(jiang)(jiang)普遍配備(bei)這些(xie)外骨(gu)骼(ge)，屆時將(jiang)(jiang)出(chu)現大量(liang)可以跳得更高、跑得更快以及能舉起巨(ju)大重(zhong)量(liang)的超(chao)級士兵。然而(er)，預期開發(fa)這些(xie)設備(bei)需要數年甚至數十(shi)年。在下(xia)一部分中(zhong)，你將(jiang)(jiang)了解負責(ze)開發(fa)這些(xie)外骨(gu)骼(ge)的研(yan)究人(ren)員所面臨的一些(xie)障礙。
DARPA不(bu)是第(di)一個嘗試(shi)建造(zao)外骨(gu)骼機械(xie)套裝的組織。如前所述，GE在(zai)20世紀60年代便開發了(le)稱為Hardiman的液壓(ya)和(he)電動套裝。該套裝的問(wen)題是，它(ta)太過(guo)笨重（接近700公斤），根本(ben)不(bu)實(shi)用。今天有了(le)更先(xian)進的材料(liao)，例如可用于建造(zao)更現代化的外骨(gu)骼的碳化纖(xian)維和(he)其他材料(liao)。然而，該項目也(ye)并非沒(mei)有挑戰(zhan)。
若要使外骨骼機器(qi)發揮(hui)作用，必須綜(zong)合考慮五種因素：結構、能量(liang)、控制(zhi)、促(cu)動和生物機械學(xue)。每種因素都有自(zi)己的一系(xi)列挑(tiao)戰(zhan)。下面是DARPA概括的一些挑(tiao)戰(zhan)：
1、構造材(cai)(cai)料(liao)：外骨骼必(bi)須用(yong)堅韌、輕質且有彈性的復合(he)材(cai)(cai)料(liao)制成。該材(cai)(cai)料(liao)自身還(huan)必(bi)須能夠抵(di)御敵方火力(li)，以保護穿用(yong)者(zhe)。
2、能(neng)(neng)量(liang)(liang)源(yuan)：這(zhe)些限制(zhi)主(zhu)要(yao)來自于(yu)能(neng)(neng)源(yuan)——現在所使(shi)用的(de)(de)(de)能(neng)(neng)源(yuan)裝(zhuang)置實在是有點支(zhi)持不了動力外(wai)(wai)(wai)骨(gu)骼的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)消耗(hao)。補給(gei)能(neng)(neng)量(liang)(liang)之前，外(wai)(wai)(wai)骨(gu)骼具(ju)有的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)必須足以支(zhi)持24小時。此外(wai)(wai)(wai)，產(chan)生能(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)裝(zhuang)置必須便于(yu)背(bei)挎(kua)。對于(yu)外(wai)(wai)(wai)骨(gu)骼研制(zhi)者而(er)言，創造出(chu)零噪音(yin)機器(qi)可能(neng)(neng)是最(zui)困難的(de)(de)(de)一項任務。
3、控制：機(ji)器(qi)的(de)控制必須(xu)是(shi)無縫的(de)。使用者(zhe)在穿上該設備后必須(xu)能夠正常(chang)活動。
4、促動：設計者(zhe)必須(xu)使機(ji)器能夠(gou)順(shun)暢移動，以(yi)便(bian)穿用(yong)者(zhe)不(bu)會太笨(ben)拙。與發動機(ji)一樣(yang)，促動器也必須(xu)安(an)靜而(er)高(gao)效。
5、生物機械學：外骨骼(ge)必須能夠左右和前后移動，就像人(ren)在戰場中那(nei)樣(yang)行進。如果(guo)它沒有(you)這(zhe)種能力，則穿用該套裝的士(shi)兵就可能處于極其(qi)危險的境地(di)。開發者設計(ji)的結構(gou)必須像人(ren)體一(yi)樣(yang)帶有(you)可彎(wan)曲的關節。
軍用(yong)外(wai)骨(gu)骼將是(shi)(shi)人(ren)類研制的最(zui)復雜的機(ji)器之(zhi)一，它還(huan)能促(cu)進(jin)機(ji)器人(ren)的開發(fa)，令機(ji)器人(ren)更像人(ren)類。外(wai)骨(gu)骼必(bi)(bi)須能夠(gou)感(gan)應人(ren)體活動(dong)(dong)并對其做出反(fan)應。它們(men)還(huan)必(bi)(bi)須能夠(gou)將來自能量(liang)源的能量(liang)轉換為可(ke)用(yong)的促(cu)動(dong)(dong)能量(liang)，以輔助穿(chuan)用(yong)者開展活動(dong)(dong)。擺在開發(fa)者面前的挑戰是(shi)(shi)巨大的，為了開發(fa)出這(zhe)種(zhong)外(wai)骨(gu)骼，新的設(she)備和發(fa)明(ming)也將不斷涌現(xian)。
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