在好萊塢科幻電影中，我們常看到特種作戰(zhàn)的士兵的腰部、腿部等部位裝配有金屬框架類的配件，戴上這種裝備的士兵個個力大無窮，健步如飛且還能飛檐走壁。這種形似骨架的，能增強人類能力的可穿戴機電裝備就是我們常聽說的 " 外骨骼 "。

圖 1 科幻電影《流浪地球》中的全身外骨骼（圖片來源于網絡）

外骨骼的概念其實并不新奇，早在 19 世紀，俄羅斯發(fā)明家尼古拉斯 · 亞根即已提出利用彈簧作為動力來幫助跳躍、奔跑的裝置；而美國發(fā)明家萊斯利 · 凱利也曾提出小型蒸汽機、壓縮氣囊加外置框架的方式提供動力的想法，但當時電力技術剛剛起步，這類裝置的機械效率很低。

和許多其他的民用先進技術一樣，外骨骼技術的發(fā)展最開始也是由軍方提出需求而引導的。60 年代前后，美國軍方啟動了增強型軍用裝甲項目，康奈爾大學、通用電氣公司等的研究者也同步開始了人體增強的概念研究。之后數年內，曾出現第一款名為哈迪曼（Hardiman）的單兵可穿戴裝備，哈迪曼擁有 28 個關節(jié)和兩個抓取臂，由復雜的液壓和電子系統(tǒng)驅動。實驗中曾成功舉起過 1500 磅的重物。但限于當時的技術條件，哈迪曼自重幾乎等同于其舉重量，且穩(wěn)定性不佳，能量不足，這款外骨骼的先行者未能推廣。

圖 2 哈迪曼（Hardiman）單兵可穿戴裝備（圖片來源于網絡）

但對外骨骼的技術研究一直在穩(wěn)步推進。步入 21 世紀，美國國防部高級研究計劃局（DAPRA）啟動了 " 增強人體機能的外骨骼 "（EHPA）項目，并設置了約 5000 萬美元的經費支持。加州大學伯克利分校在此資助下，完成了下肢末端外骨骼 " ( Berkeley Lower Extremity Exoskeleton，BLEEX ) 樣機的試驗測試。BLEEX 外骨骼是一種下肢外骨骼機器人，擁有兩個擬人腿，單腿有 7 個自由度，整體質量約為 45kg，穿戴者身著此裝備，即使在負重 35kg 的情況下，仍然可以活動自如。這款外骨骼的最大突破是在每條腿上均大量集成了不同類型的傳感器，可以實時獲得人體的運動信息，并基于最小化人體交互作用設計控制策略，通過液壓驅動關節(jié)運動，最大限度的貼合人體運動規(guī)律。

BLEEX 一代奠定了外骨骼技術的發(fā)展思路，在此基礎上，軍用外骨骼加速發(fā)展，到 2009 年，Berkely Bionics 公司推出了第三代 BLEEX 外骨骼 "HULC"，HULC 的靈活性大大提高，使用者可以隨意完成下蹲、匍匐等戰(zhàn)術動作，且最大負載提高至 90kg，最大爆發(fā)速度可提升至 16km/h。美國 Sarcos 公司的 XOS 外骨骼方案同樣也是外骨骼領域的佼佼者，XOS 的動作靈敏度較高，緊貼身體表面的傳感器能直接感應到穿著者的動作幅度和力度，電腦通過計算后實時控制相應的液壓動作器輸出合適的幅度和力度。據 2020 年 1 月的最新消息，最新版本 "guardian XO" 即將交付用戶，續(xù)航時間長達 8 小時，可輔助舉起 90kg 的重物。

圖 3 guardian XO 的操作者輕松舉起一枚 90kg 的導彈（圖片來源于網絡）

除了美國，其他國家也在加緊研發(fā)軍用外骨骼裝置。例如德國在研發(fā)一種可穿戴式的動力滑翔系統(tǒng)——獅鷲翼裝 ( gryphon wingsuit ) 。俄羅斯莫斯科國立大學在俄國防部支持下，也在開展旨在減輕軍人體力負荷的外骨骼機器人的研究，主要研究內容是加強裝置的腿部及腰部等負荷能力，提高雙手靈活性以及配置相匹配的防彈罩，以期在防爆反恐方面能夠有用武之地。

總的來說，軍用外骨骼技術發(fā)展多年，發(fā)展路線和關鍵技術已經基本明確。未來發(fā)展趨勢主要集中在減輕自重、延長續(xù)航、提高輔助載重、防彈、提高智能程度等方面。其中難度最大的當屬延長續(xù)航，外骨骼裝置的初衷是為士兵小隊或獨立作戰(zhàn)提供支持，但現有的 4-5 小時的續(xù)航時間是不敷使用的，尤其是在滿負重和快速移動的情況下，實際時間可能不到 3 小時，在儲能技術未得到突破之前，續(xù)航將一直是外骨骼和其他各行業(yè)的最大痛點。

與此同時，外骨骼技術在民品領域的發(fā)展更為迅速，可輔助負重的外骨骼對于工廠企業(yè)意義重大，如 FORTIS 工業(yè)用外骨骼可為工人提供能夠將重力分散向地面的必要支撐，還設置有放置工具的懸臂，能大幅度提高工作效率。而外骨骼技術在醫(yī)療、勞動保護等方面也有應用，如日本 Cyberdyne 公司開發(fā)的液壓助力肢體套裝（HAL），可通過搜集人體表面的肌肉電信號對機器人傳達指令，從而幫助人行走、負重。美國 Parker Hannifin 公司生產的 Indego 型外骨骼設備已于 2016 年獲得 FDA 批準，以幫助下肢受傷的患者預后恢復。

圖 4 FORTIS 工業(yè)用外骨骼（圖片來源于網絡）

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軍事小百科：在機電小型化、傳感器技術、控制算法、生物機械學等技術取得長足進步的基礎上，外骨骼技術在近 20 年內蓬勃發(fā)展。外骨骼設備通過采集人體機電信號能在極短時間內準確反饋到驅動機構，從而跟隨人體做出一致的輔助動作。外骨骼技術越來越多的用于民品領域，對體力勞動者、老年人、行動不便者均有重大意義。

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（來源：科普中國網）