動力(li)外骨骼(ge),最初出現在科幻(huan)小說中的機械及電子設備,是一種能(neng)(neng)(neng)夠(gou)增強人(ren)體能(neng)(neng)(neng)力(li)的可穿戴(dai)機器。它能(neng)(neng)(neng)夠(gou)幫(bang)(bang)助人(ren)們跑得更快(kuai)、跳得更高(gao)、能(neng)(neng)(neng)夠(gou)攜(xie)帶(dai)更多(duo)更重的東西,并且幫(bang)(bang)助穿戴(dai)它的人(ren)在戰場、建筑(zhu)工地(di)或(huo)者其它有(you)危險的地(di)方生存下來。這(zhe)(zhe)項技(ji)術已經有(you)二十多(duo)年的歷史,但是出于技(ji)術原因,這(zhe)(zhe)些(xie)裝置現在還沒(mei)有(you)廣(guang)泛應用,只在實(shi)驗室(shi)或(huo)者試(shi)驗場里(li)閃閃發亮。
動(dong)(dong)力外骨(gu)骼通(tong)過傳感(gan)器(qi)來收(shou)集使(shi)用者的(de)活動(dong)(dong)信(xin)(xin)(xin)息(xi),這些(xie)信(xin)(xin)(xin)息(xi)傳遞給信(xin)(xin)(xin)息(xi)處(chu)理(li)器(qi)進行(xing)處(chu)理(li),然后啟動(dong)(dong)相(xiang)應的(de)機械部件來輸出(chu)能(neng)量。在動(dong)(dong)力外骨(gu)骼中(zhong)可以使(shi)用的(de)傳感(gan)器(qi)種(zhong)類很多,包括角辨向器(qi)、肌電傳感(gan)器(qi)、地面傳感(gan)器(qi)、肌肉壓力傳感(gan)器(qi)等等。同(tong)樣,用于輸出(chu)的(de)機械系(xi)統(tong)也有很多選擇,目前液(ye)壓系(xi)統(tong)和(he)氣(qi)壓系(xi)統(tong)是比較常見的(de)。
在(zai)(zai)某些意(yi)義上(shang),動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)(li)外(wai)(wai)骨(gu)(gu)(gu)骼可能(neng)比《終結者(zhe)(zhe)(zhe)》中的(de)(de)(de)T600那樣的(de)(de)(de)機器(qi)人更(geng)復(fu)雜。動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)(li)外(wai)(wai)骨(gu)(gu)(gu)骼需要在(zai)(zai)極短的(de)(de)(de)時間內判斷出使(shi)用(yong)(yong)者(zhe)(zhe)(zhe)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)意(yi)圖,并且給予恰如(ru)其分的(de)(de)(de)幫助(zhu)(zhu)。現(xian)在(zai)(zai)最成(cheng)(cheng)熟的(de)(de)(de)軍用(yong)(yong)動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)(li)外(wai)(wai)骨(gu)(gu)(gu)骼采(cai)用(yong)(yong)肌(ji)(ji)肉(rou)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)傳感(gan)器(qi)來收(shou)(shou)集(ji)用(yong)(yong)戶動(dong)(dong)(dong)作(zuo)。當人彎曲手肘時,上(shang)臂(bei)的(de)(de)(de)肌(ji)(ji)肉(rou)纖維組織會緊靠在(zai)(zai)一(yi)(yi)(yi)起,從而(er)牽動(dong)(dong)(dong)肌(ji)(ji)鍵運動(dong)(dong)(dong),直觀(guan)表現(xian)就(jiu)是肌(ji)(ji)肉(rou)隆(long)起。在(zai)(zai)動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)(li)外(wai)(wai)骨(gu)(gu)(gu)骼與皮膚(fu)接觸(chu)的(de)(de)(de)肌(ji)(ji)肉(rou)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)傳感(gan)器(qi)收(shou)(shou)集(ji)肌(ji)(ji)肉(rou)收(shou)(shou)緊的(de)(de)(de)強度和方向,從而(er)感(gan)應到操(cao)縱(zong)者(zhe)(zhe)(zhe)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)意(yi)圖。它會把(ba)收(shou)(shou)集(ji)得(de)到的(de)(de)(de)數據資(zi)料(liao)傳達給信息(xi)處理器(qi)——這是一(yi)(yi)(yi)個安(an)裝(zhuang)在(zai)(zai)背部的(de)(de)(de)“背包”,可以(yi)看(kan)成(cheng)(cheng)一(yi)(yi)(yi)臺電腦(nao)——信息(xi)處理器(qi)計算如(ru)何移動(dong)(dong)(dong)外(wai)(wai)骨(gu)(gu)(gu)骼讓使(shi)用(yong)(yong)者(zhe)(zhe)(zhe)用(yong)(yong)力(li)(li)(li)最小,然后再把(ba)指令(ling)傳遞到相關(guan)的(de)(de)(de)關(guan)節(jie),通過關(guan)節(jie)內部的(de)(de)(de)液壓(ya)(ya)機構傳動(dong)(dong)(dong)裝(zhuang)置產(chan)生精確的(de)(de)(de)力(li)(li)(li)量,從而(er)做到與人的(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)同步。當然,實際上(shang)還是有一(yi)(yi)(yi)點時滯的(de)(de)(de),但是時滯被控(kong)制在(zai)(zai)無(wu)法察覺的(de)(de)(de)程度。在(zai)(zai)現(xian)代信息(xi)技(ji)術的(de)(de)(de)幫助(zhu)(zhu)下,動(dong)(dong)(dong)力(li)(li)(li)外(wai)(wai)骨(gu)(gu)(gu)骼以(yi)每秒數千次的(de)(de)(de)速度調(diao)整(zheng)全身每一(yi)(yi)(yi)個關(guan)節(jie),讓使(shi)用(yong)(yong)者(zhe)(zhe)(zhe)幾乎察覺不到它的(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)。
早在(zai)(zai)(zai)1960年(nian),通用電氣就開(kai)始(shi)(shi)了機械(xie)外(wai)骨骼的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu),但(dan)是當時他(ta)們開(kai)發的(de)(de)設備(bei)只(zhi)有一(yi)只(zhi)手。麻省理工學(xue)院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)從1978年(nian)也開(kai)始(shi)(shi)了研(yan)(yan)究(jiu),但(dan)是目前看起來比較有希望的(de)(de)是一(yi)家(jia)(jia)坐落在(zai)(zai)(zai)鹽湖城的(de)(de)公司。這(zhe)家(jia)(jia)叫做(zuo)Sarcos的(de)(de)公司在(zai)(zai)(zai)1983年(nian)就開(kai)始(shi)(shi)了這(zhe)方(fang)面的(de)(de)探索(suo),公司創(chuang)始(shi)(shi)人斯蒂芬·雅(ya)克布森(Stephen Jocabsen)親切地(di)叫它(ta)XOS。2000年(nian)XOS從14個(ge)類似的(de)(de)裝備(bei)中脫穎(ying)而(er)出(chu),被美(mei)國(guo)(guo)國(guo)(guo)防(fang)部高級研(yan)(yan)究(jiu)計劃署——就是這(zhe)個(ge)機構發明了互聯網——選中,并且把打算它(ta)應用在(zai)(zai)(zai)軍隊(dui)中。這(zhe)項研(yan)(yan)究(jiu)在(zai)(zai)(zai)高級研(yan)(yan)究(jiu)計劃署的(de)(de)資金支持下開(kai)始(shi)(shi)迅速發展,后(hou)來Sarcos被美(mei)國(guo)(guo)一(yi)家(jia)(jia)國(guo)(guo)防(fang)部承(cheng)包(bao)商雷神(Raytheon)公司收購,有望能(neng)在(zai)(zai)(zai)2008年(nian)推出(chu)成品,并且在(zai)(zai)(zai)2009年(nian)進行戰場實驗。
除了(le)軍方外(wai),動(dong)(dong)力(li)外(wai)骨(gu)(gu)骼(ge)在(zai)民用領域也大有可為(wei)。日本筑波大學的(de)機械人(ren)專家三階吉行和他的(de)同事(shi)們(men)(men)在(zai)2004年(nian)創建了(le)一個叫(jiao)做“Cyberdyne”的(de)公司,開(kai)始把他們(men)(men)花了(le)十年(nian)時(shi)間研制的(de)動(dong)(dong)力(li)外(wai)骨(gu)(gu)骼(ge)推向市場。這(zhe)種(zhong)動(dong)(dong)力(li)外(wai)骨(gu)(gu)骼(ge)叫(jiao)做HAL,是人(ren)體輔助(zhu)義肢(Hybrid Assistive Limb)的(de)縮寫,主要用于醫(yi)療領域,幫助(zhu)殘障者行動(dong)(dong)和傷患復(fu)健(jian),以及為(wei)護士們(men)(men)助(zhu)力(li)。現在(zai)已經有了(le)上市的(de)產品(pin),當然,和軍用標準相距甚遠。
現在,美(mei)國(guo)國(guo)防部研究計劃署(shu)(DARPA)投(tou)資五千萬美(mei)元(yuan)為(wei)(wei)地(di)面(mian)部隊開發外(wai)骨骼套裝。這(zhe)種可(ke)穿(chuan)戴的(de)機器人系(xi)統可(ke)以使士兵能夠(gou)(gou)跑得更快、攜帶更重(zhong)的(de)武器以及跳過較大(da)的(de)障礙物。外(wai)骨骼在非軍(jun)事(shi)領域的(de)應(ying)(ying)用潛力(li)同樣十分巨大(da)。2000年,DARPA征求人體能力(li)增強(qiang)系(xi)統的(de)建議書,很快將會(hui)簽約并開始外(wai)骨骼的(de)開發。軍(jun)方機構稱,對(dui)這(zhe)種新技術的(de)測試至(zhi)少要(yao)在十年之(zhi)后才能進行,而(er)要(yao)士兵能夠(gou)(gou)穿(chuan)上這(zhe)些(xie)身體加強(qiang)系(xi)統參加戰斗,則(ze)可(ke)以需要(yao)更長的(de)時間。根據預測,這(zhe)些(xie)外(wai)骨骼系(xi)統能夠(gou)(gou)提高士兵的(de)力(li)量(liang)和速度,而(er)且還能通過內置的(de)計算機輔助士兵在國(guo)外(wai)領土行軍(jun)。但是,這(zhe)種系(xi)統仍(reng)存在一些(xie)問題,包括如(ru)何為(wei)(wei)這(zhe)些(xie)機器提供能量(liang),它們(men)將如(ru)何響應(ying)(ying)人體動作(zuo)等(deng)。
DARPA外(wai)骨(gu)骼(ge)計(ji)劃(hua)的目標是讓普通(tong)士兵變成可(ke)(ke)以跳(tiao)過較高物體和高速奔跑的超級士兵。該(gai)計(ji)劃(hua)現(xian)在仍處(chu)于(yu)初期階段,所以這些(xie)可(ke)(ke)穿(chuan)戴機器的具體細節仍然非(fei)常模糊。不過DARPA已經為這些(xie)可(ke)(ke)穿(chuan)戴機器確(que)定了一些(xie)可(ke)(ke)以期待的東西。下面是研究人員(yuan)期望外(wai)骨(gu)骼(ge)在士兵身(shen)上實現(xian)的目標。
1、增大(da)力量(liang):士兵(bing)將(jiang)能夠(gou)(gou)攜(xie)帶(dai)更多的(de)(de)武器和(he)軍需品。通過增大(da)力量(liang),士兵(bing)還將(jiang)能夠(gou)(gou)在行軍時移走(zou)途中的(de)(de)大(da)障(zhang)礙物。它還將(jiang)使士兵(bing)能夠(gou)(gou)穿上較(jiao)重的(de)(de)身(shen)體護甲和(he)其他(ta)防(fang)彈(dan)護具。20世紀60年代(dai),通用(yong)電氣公(gong)司(GE)與美國軍方合作(zuo)開發了一個外骨骼,稱為Hardiman。它使得舉起120公(gong)斤(jin)的(de)(de)重物就像舉起5公(gong)斤(jin)重物那樣輕松(song)。
2、提高速(su)度:普通人走路的(de)時速(su)為(wei)6至10公(gong)里,但是(shi)士兵(bing)通常還要(yao)在背包里攜帶重達約70公(gong)斤的(de)軍(jun)需(xu)品。在背負如此多的(de)重物時,即使是(shi)條件最好(hao)的(de)軍(jun)隊也難(nan)以(yi)很快行進(jin)。現在還不(bu)確(que)定DARPA的(de)外骨骼將能夠走多快。不(bu)過測試表明,一種獨立開發的(de)身體放大器彈簧(huang)行走器的(de)時速(su)可超過16公(gong)里。
3、跳(tiao)(tiao)得更(geng)高和更(geng)遠:現在(zai)還不(bu)清(qing)楚穿上機械套(tao)裝(zhuang)將能夠跳(tiao)(tiao)多遠和跳(tiao)(tiao)多高,但(dan)是(shi)軍(jun)方希望這種機器能夠幫助士(shi)兵跳(tiao)(tiao)過降低行(xing)軍(jun)速度的一(yi)般障礙物(wu)。
總的來說(shuo),士(shi)(shi)兵在(zai)(zai)不可預測(ce)的地形(xing)中長距離行(xing)軍時,此裝(zhuang)備可提高自己的耐久性。借助增(zeng)大(da)的力量,他們(men)還(huan)將(jiang)能夠修復憑人體(ti)自身力量難以(yi)修復的重型設備。專家(jia)認為(wei),由于增(zeng)加(jia)了身體(ti)護甲(jia),傷亡人數將(jiang)變得(de)更少。這些外骨骼機(ji)器(qi)還(huan)將(jiang)配(pei)備傳感器(qi)和(he)全球定位系統(GPS)接收器(qi)。利用(yong)這一(yi)技(ji)術,士(shi)(shi)兵可以(yi)了解(jie)有關他們(men)正(zheng)在(zai)(zai)穿越(yue)的地形(xing)的信息,從而找出行(xing)進(jin)到(dao)指定位置的最佳路線。DARPA還(huan)在(zai)(zai)開發(fa)與(yu)外骨骼配(pei)套使用(yong)的計算機(ji)化織物(wu),用(yong)于監視士(shi)(shi)兵的心率和(he)呼吸率。
如(ru)果研制(zhi)順利,美國(guo)軍隊將(jiang)普(pu)遍配備(bei)這些外骨(gu)骼(ge),屆時將(jiang)出現大量(liang)(liang)可以跳得更高、跑得更快(kuai)以及能(neng)舉起(qi)巨大重量(liang)(liang)的超級士兵(bing)。然而,預期開(kai)發(fa)這些設備(bei)需要數年(nian)甚至數十年(nian)。在下一(yi)部分中,你(ni)將(jiang)了解負責開(kai)發(fa)這些外骨(gu)骼(ge)的研究人員所面臨的一(yi)些障礙。
DARPA不(bu)是第一個嘗試建(jian)造(zao)外骨骼機(ji)械套裝(zhuang)的(de)(de)組織(zhi)。如前所(suo)述,GE在20世(shi)紀(ji)60年(nian)代(dai)便開(kai)發(fa)了稱為Hardiman的(de)(de)液壓和(he)電動套裝(zhuang)。該(gai)(gai)套裝(zhuang)的(de)(de)問題(ti)是,它太(tai)過笨(ben)重(接(jie)近700公(gong)斤),根本不(bu)實用。今天有了更先進(jin)的(de)(de)材料(liao),例如可用于建(jian)造(zao)更現(xian)代(dai)化的(de)(de)外骨骼的(de)(de)碳化纖維和(he)其(qi)他材料(liao)。然而,該(gai)(gai)項(xiang)目也并(bing)非沒有挑戰。
若要使外骨骼(ge)機(ji)器發揮作用,必須綜合考慮(lv)五種因素(su):結構、能(neng)量、控制、促(cu)動和生物機(ji)械(xie)學(xue)。每種因素(su)都(dou)有(you)自(zi)己的(de)一(yi)系(xi)列挑戰(zhan)。下面是(shi)DARPA概(gai)括的(de)一(yi)些(xie)挑戰(zhan):
1、構造材(cai)料:外骨骼必須用(yong)堅(jian)韌、輕(qing)質且有彈性的復合(he)材(cai)料制成。該(gai)材(cai)料自身還(huan)必須能夠抵御敵(di)方火力,以保護穿用(yong)者(zhe)。
2、能(neng)(neng)量(liang)(liang)源(yuan):這些(xie)限制主要來自于(yu)能(neng)(neng)源(yuan)——現在(zai)所使用的(de)能(neng)(neng)源(yuan)裝(zhuang)置實(shi)在(zai)是(shi)有點(dian)支持不(bu)了動(dong)力外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)消耗。補給能(neng)(neng)量(liang)(liang)之前,外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)具有的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)必須足以支持24小時(shi)。此外(wai)(wai),產生能(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)裝(zhuang)置必須便于(yu)背挎。對(dui)于(yu)外(wai)(wai)骨(gu)骼(ge)研制者而言,創造出(chu)零(ling)噪音機器(qi)可能(neng)(neng)是(shi)最困(kun)難的(de)一項任務。
3、控制:機器的控制必須是無縫(feng)的。使(shi)用者(zhe)在穿上該設(she)備后必須能夠正常活動(dong)。
4、促(cu)動:設計者必須使(shi)機(ji)器能夠(gou)順暢移動,以便穿用者不(bu)會太笨拙。與發動機(ji)一樣,促(cu)動器也必須安靜(jing)而高效(xiao)。
5、生物機械學:外(wai)骨骼(ge)必須(xu)能(neng)夠左右和前(qian)后移動(dong),就像人(ren)在戰場中那樣行進(jin)。如(ru)果(guo)它沒有(you)這種能(neng)力,則穿用該套(tao)裝(zhuang)的(de)士兵就可能(neng)處于極其危險(xian)的(de)境地。開發者設計的(de)結(jie)構必須(xu)像人(ren)體一樣帶(dai)有(you)可彎曲的(de)關(guan)節(jie)。
軍用(yong)(yong)外骨骼將(jiang)(jiang)是人(ren)(ren)類(lei)(lei)研(yan)制(zhi)的(de)最復雜(za)的(de)機(ji)(ji)器(qi)之一,它還(huan)能促進機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)的(de)開發(fa),令機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)更像人(ren)(ren)類(lei)(lei)。外骨骼必須(xu)能夠(gou)感(gan)應(ying)人(ren)(ren)體(ti)活動(dong)并(bing)對其做出(chu)反應(ying)。它們還(huan)必須(xu)能夠(gou)將(jiang)(jiang)來自能量源的(de)能量轉(zhuan)換為(wei)可(ke)用(yong)(yong)的(de)促動(dong)能量,以輔助穿(chuan)用(yong)(yong)者開展活動(dong)。擺在開發(fa)者面前的(de)挑戰是巨大的(de),為(wei)了開發(fa)出(chu)這種外骨骼,新(xin)的(de)設備和發(fa)明也(ye)將(jiang)(jiang)不斷涌現。