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動(dong)力外骨骼，最初(chu)出現在(zai)科(ke)幻小說中的(de)(de)機(ji)械及電子設備，是一種能夠(gou)(gou)增強(qiang)人(ren)體能力的(de)(de)可(ke)穿戴(dai)機(ji)器。它能夠(gou)(gou)幫助(zhu)人(ren)們(men)跑(pao)得(de)更(geng)快、跳(tiao)得(de)更(geng)高(gao)、能夠(gou)(gou)攜帶更(geng)多更(geng)重的(de)(de)東西，并且(qie)幫助(zhu)穿戴(dai)它的(de)(de)人(ren)在(zai)戰場(chang)、建筑(zhu)工地或(huo)者其它有危(wei)險的(de)(de)地方(fang)生存下來。這(zhe)項(xiang)技(ji)(ji)術(shu)已經有二十多年的(de)(de)歷史，但(dan)是出于技(ji)(ji)術(shu)原因，這(zhe)些裝置現在(zai)還沒(mei)有廣(guang)泛應用(yong)，只在(zai)實(shi)驗室或(huo)者試驗場(chang)里閃閃發亮。

工作原理

動力(li)(li)外骨骼(ge)通過傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)來(lai)收集使(shi)用者的(de)(de)活(huo)動信息(xi)(xi)，這些信息(xi)(xi)傳(chuan)(chuan)遞(di)給信息(xi)(xi)處理器(qi)(qi)(qi)進(jin)行處理，然后啟動相應的(de)(de)機械部件來(lai)輸(shu)出(chu)能量。在動力(li)(li)外骨骼(ge)中可以使(shi)用的(de)(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)種類很多，包括角辨向(xiang)器(qi)(qi)(qi)、肌電傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)、地面傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)、肌肉壓(ya)力(li)(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)等等。同樣，用于輸(shu)出(chu)的(de)(de)機械系統(tong)也有(you)很多選擇，目(mu)前液壓(ya)系統(tong)和氣壓(ya)系統(tong)是比(bi)較常見的(de)(de)。

在(zai)(zai)(zai)(zai)某些意(yi)義(yi)上(shang)，動(dong)(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼可能比《終結(jie)者》中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)T600那樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機器人(ren)更復雜(za)。動(dong)(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼需(xu)要(yao)在(zai)(zai)(zai)(zai)極(ji)短的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)時間內判(pan)斷(duan)出使(shi)用(yong)(yong)者的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)作意(yi)圖，并且(qie)給(gei)(gei)予恰(qia)如其(qi)分的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)幫(bang)助。現(xian)在(zai)(zai)(zai)(zai)最(zui)成熟的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)軍用(yong)(yong)動(dong)(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼采用(yong)(yong)肌(ji)(ji)肉壓力(li)(li)傳感(gan)(gan)器來收集(ji)用(yong)(yong)戶(hu)動(dong)(dong)(dong)(dong)作。當人(ren)彎曲手肘時，上(shang)臂(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)肌(ji)(ji)肉纖維組織會(hui)緊(jin)靠在(zai)(zai)(zai)(zai)一(yi)(yi)起，從而(er)(er)牽動(dong)(dong)(dong)(dong)肌(ji)(ji)鍵運動(dong)(dong)(dong)(dong)，直觀表現(xian)就是(shi)肌(ji)(ji)肉隆起。在(zai)(zai)(zai)(zai)動(dong)(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼與皮膚接觸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)肌(ji)(ji)肉壓力(li)(li)傳感(gan)(gan)器收集(ji)肌(ji)(ji)肉收緊(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)強度(du)和方(fang)向，從而(er)(er)感(gan)(gan)應到操縱(zong)者的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)作意(yi)圖。它(ta)會(hui)把收集(ji)得到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)數據資料(liao)傳達給(gei)(gei)信(xin)息(xi)處理器——這(zhe)是(shi)一(yi)(yi)個安裝(zhuang)(zhuang)在(zai)(zai)(zai)(zai)背部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)“背包(bao)”，可以看成一(yi)(yi)臺(tai)電腦——信(xin)息(xi)處理器計算如何移動(dong)(dong)(dong)(dong)外(wai)骨(gu)骼讓使(shi)用(yong)(yong)者用(yong)(yong)力(li)(li)最(zui)小，然后再把指令傳遞到相關(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)節(jie)，通過關(guan)節(jie)內部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)液壓機構(gou)傳動(dong)(dong)(dong)(dong)裝(zhuang)(zhuang)置產生精(jing)確的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)力(li)(li)量，從而(er)(er)做到與人(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)(dong)(dong)作同步。當然，實際上(shang)還是(shi)有一(yi)(yi)點時滯(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，但是(shi)時滯(zhi)被控制在(zai)(zai)(zai)(zai)無法察覺(jue)(jue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)程度(du)。在(zai)(zai)(zai)(zai)現(xian)代信(xin)息(xi)技術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)幫(bang)助下，動(dong)(dong)(dong)(dong)力(li)(li)外(wai)骨(gu)骼以每(mei)秒(miao)數千次的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)調整(zheng)全(quan)身每(mei)一(yi)(yi)個關(guan)節(jie)，讓使(shi)用(yong)(yong)者幾(ji)乎察覺(jue)(jue)不到它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai)。

發展歷程

早在(zai)1960年，通用電氣就開始了(le)機(ji)械外(wai)骨骼的(de)(de)研(yan)究，但是當時他(ta)們開發(fa)的(de)(de)設備(bei)只(zhi)有(you)(you)一(yi)只(zhi)手(shou)。麻(ma)省理工(gong)學(xue)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）從(cong)1978年也開始了(le)研(yan)究，但是目前看起來(lai)比較有(you)(you)希望(wang)的(de)(de)是一(yi)家坐(zuo)落在(zai)鹽湖城的(de)(de)公司(si)(si)。這家叫做Sarcos的(de)(de)公司(si)(si)在(zai)1983年就開始了(le)這方面的(de)(de)探索，公司(si)(si)創始人斯(si)蒂(di)芬·雅(ya)克布森（Stephen Jocabsen）親切地叫它XOS。2000年XOS從(cong)14個類似的(de)(de)裝備(bei)中(zhong)(zhong)脫穎而出，被美國(guo)(guo)國(guo)(guo)防部高(gao)級(ji)(ji)研(yan)究計劃署(shu)——就是這個機(ji)構發(fa)明(ming)了(le)互聯網(wang)——選中(zhong)(zhong)，并且把打(da)算它應用在(zai)軍(jun)隊中(zhong)(zhong)。這項研(yan)究在(zai)高(gao)級(ji)(ji)研(yan)究計劃署(shu)的(de)(de)資金(jin)支持下(xia)開始迅速發(fa)展，后來(lai)Sarcos被美國(guo)(guo)一(yi)家國(guo)(guo)防部承包商雷神（Raytheon）公司(si)(si)收購，有(you)(you)望(wang)能(neng)在(zai)2008年推出成品，并且在(zai)2009年進行戰場(chang)實驗。

除了(le)(le)軍(jun)方外(wai)，動(dong)(dong)力外(wai)骨(gu)(gu)骼在(zai)民(min)用領(ling)(ling)域也(ye)大有可為。日(ri)本筑(zhu)波(bo)大學的(de)(de)(de)機械(xie)人專家(jia)三階吉行和他的(de)(de)(de)同(tong)事們在(zai)2004年(nian)(nian)創建了(le)(le)一個叫做“Cyberdyne”的(de)(de)(de)公司(si)，開始把他們花(hua)了(le)(le)十年(nian)(nian)時(shi)間研制的(de)(de)(de)動(dong)(dong)力外(wai)骨(gu)(gu)骼推向市場。這(zhe)種動(dong)(dong)力外(wai)骨(gu)(gu)骼叫做HAL，是人體輔助義肢（Hybrid Assistive Limb）的(de)(de)(de)縮(suo)寫，主要用于醫(yi)療領(ling)(ling)域，幫助殘障者行動(dong)(dong)和傷患(huan)復健，以及為護士們助力。現在(zai)已經有了(le)(le)上市的(de)(de)(de)產品，當(dang)然(ran)，和軍(jun)用標準相(xiang)距甚遠(yuan)。

現在(zai)(zai)，美(mei)國國防部(bu)研究計劃(hua)署（DARPA）投資(zi)五(wu)千萬(wan)美(mei)元(yuan)為地(di)面部(bu)隊開發(fa)外骨骼套(tao)裝。這種(zhong)可(ke)穿戴(dai)的(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)器人(ren)系(xi)(xi)統可(ke)以使(shi)士兵(bing)(bing)(bing)能(neng)夠(gou)跑得更(geng)(geng)快、攜帶更(geng)(geng)重的(de)(de)(de)(de)武器以及跳過較大(da)的(de)(de)(de)(de)障礙物。外骨骼在(zai)(zai)非(fei)軍事領域的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用潛(qian)力同樣十分巨大(da)。2000年(nian)，DARPA征求人(ren)體能(neng)力增強系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)(de)建議書，很快將會簽(qian)約并開始(shi)外骨骼的(de)(de)(de)(de)開發(fa)。軍方(fang)機(ji)(ji)構(gou)稱，對這種(zhong)新技術(shu)的(de)(de)(de)(de)測(ce)試至少要(yao)在(zai)(zai)十年(nian)之后才能(neng)進行(xing)，而(er)(er)要(yao)士兵(bing)(bing)(bing)能(neng)夠(gou)穿上這些身體加強系(xi)(xi)統參加戰(zhan)斗，則(ze)可(ke)以需要(yao)更(geng)(geng)長的(de)(de)(de)(de)時間。根據預測(ce)，這些外骨骼系(xi)(xi)統能(neng)夠(gou)提高士兵(bing)(bing)(bing)的(de)(de)(de)(de)力量(liang)和速度，而(er)(er)且還(huan)能(neng)通(tong)過內置(zhi)的(de)(de)(de)(de)計算機(ji)(ji)輔助士兵(bing)(bing)(bing)在(zai)(zai)國外領土(tu)行(xing)軍。但(dan)是，這種(zhong)系(xi)(xi)統仍存在(zai)(zai)一些問題，包(bao)括如(ru)何為這些機(ji)(ji)器提供能(neng)量(liang)，它們(men)將如(ru)何響應(ying)(ying)人(ren)體動作等(deng)。

研究計劃

DARPA外骨骼計(ji)劃(hua)的(de)(de)目標是讓普通士(shi)兵變成可(ke)(ke)(ke)以(yi)跳過較高物體(ti)和(he)高速(su)奔跑的(de)(de)超級士(shi)兵。該計(ji)劃(hua)現在(zai)仍處(chu)于(yu)初(chu)期(qi)階段，所以(yi)這(zhe)(zhe)些可(ke)(ke)(ke)穿戴機(ji)器的(de)(de)具體(ti)細節仍然非(fei)常(chang)模糊。不(bu)過DARPA已經(jing)為這(zhe)(zhe)些可(ke)(ke)(ke)穿戴機(ji)器確定了(le)一些可(ke)(ke)(ke)以(yi)期(qi)待(dai)的(de)(de)東西。下(xia)面是研究人員期(qi)望外骨骼在(zai)士(shi)兵身(shen)上(shang)實現的(de)(de)目標。

1、增大(da)力量：士(shi)(shi)兵(bing)(bing)將(jiang)能(neng)夠(gou)攜(xie)帶(dai)更多(duo)的武器(qi)和軍(jun)需品。通過(guo)增大(da)力量，士(shi)(shi)兵(bing)(bing)還將(jiang)能(neng)夠(gou)在行軍(jun)時移走(zou)途中的大(da)障礙物。它(ta)還將(jiang)使(shi)(shi)士(shi)(shi)兵(bing)(bing)能(neng)夠(gou)穿上(shang)較重的身體護甲和其他(ta)防彈護具。20世紀60年代，通用電氣(qi)公(gong)司(GE)與美(mei)國(guo)軍(jun)方合作開發(fa)了一個外骨(gu)骼，稱為Hardiman。它(ta)使(shi)(shi)得(de)舉(ju)起120公(gong)斤的重物就像舉(ju)起5公(gong)斤重物那樣輕松(song)。

2、提高速度：普通(tong)人走(zou)(zou)路的(de)時速為6至10公里，但(dan)是(shi)士兵通(tong)常還(huan)要在背包(bao)里攜帶重達(da)約70公斤的(de)軍(jun)需品。在背負如此多(duo)的(de)重物時，即使是(shi)條件(jian)最好的(de)軍(jun)隊也難(nan)以(yi)很快行進。現在還(huan)不確(que)定DARPA的(de)外(wai)骨骼(ge)將能夠走(zou)(zou)多(duo)快。不過測(ce)試表明，一種獨立(li)開發的(de)身體放大器(qi)(qi)彈(dan)簧行走(zou)(zou)器(qi)(qi)的(de)時速可超過16公里。

3、跳(tiao)得更高和更遠(yuan)：現(xian)在還(huan)不清楚穿上機械(xie)套裝(zhuang)將能夠(gou)(gou)跳(tiao)多(duo)遠(yuan)和跳(tiao)多(duo)高，但是軍(jun)方希望這種機器(qi)能夠(gou)(gou)幫(bang)助士兵(bing)跳(tiao)過(guo)降低行軍(jun)速度的一般障礙物。

總的(de)來說，士(shi)兵(bing)在不可(ke)預測的(de)地形(xing)中長距離行軍(jun)時，此裝備可(ke)提高(gao)自(zi)(zi)己的(de)耐久(jiu)性。借(jie)助增(zeng)(zeng)大的(de)力量，他們(men)還(huan)將能夠修復(fu)憑人體自(zi)(zi)身(shen)力量難(nan)以修復(fu)的(de)重(zhong)型(xing)設(she)備。專家認為，由于(yu)增(zeng)(zeng)加(jia)了身(shen)體護(hu)甲，傷(shang)亡(wang)人數將變得(de)更少。這些外(wai)骨骼(ge)機(ji)(ji)器(qi)還(huan)將配備傳感器(qi)和全球定位(wei)系統(GPS)接收(shou)器(qi)。利用(yong)這一技術，士(shi)兵(bing)可(ke)以了解有關他們(men)正(zheng)在穿(chuan)越的(de)地形(xing)的(de)信息，從而(er)找出行進到指定位(wei)置的(de)最佳路線。DARPA還(huan)在開發與(yu)外(wai)骨骼(ge)配套使用(yong)的(de)計算機(ji)(ji)化(hua)織物(wu)，用(yong)于(yu)監視士(shi)兵(bing)的(de)心率(lv)(lv)和呼吸率(lv)(lv)。

如果研(yan)制順利，美國軍隊將普(pu)遍(bian)配備(bei)這(zhe)些外骨(gu)骼(ge)，屆時將出現大量可(ke)以跳得更(geng)高、跑得更(geng)快以及能舉起巨大重量的超級士兵。然而，預期開發這(zhe)些設(she)備(bei)需要數年甚至數十年。在(zai)下一(yi)部(bu)分中，你將了解負(fu)責開發這(zhe)些外骨(gu)骼(ge)的研(yan)究(jiu)人員所面(mian)臨的一(yi)些障礙。

技術挑戰

DARPA不是(shi)第一個嘗試建造(zao)外(wai)骨骼機械套裝的(de)(de)(de)(de)組(zu)織。如前所述，GE在20世紀60年代便開發了稱為Hardiman的(de)(de)(de)(de)液壓和(he)電動套裝。該套裝的(de)(de)(de)(de)問題是(shi)，它太過(guo)笨重（接近700公斤），根本(ben)不實(shi)用。今天(tian)有了更(geng)先(xian)進(jin)的(de)(de)(de)(de)材(cai)料，例如可用于建造(zao)更(geng)現代化的(de)(de)(de)(de)外(wai)骨骼的(de)(de)(de)(de)碳化纖(xian)維和(he)其(qi)他材(cai)料。然(ran)而，該項目也(ye)并(bing)非沒有挑戰。

若要使(shi)外骨骼機器發揮作用，必(bi)須綜(zong)合(he)考慮五種因素：結(jie)構、能量(liang)、控(kong)制、促動和生物機械學。每(mei)種因素都有(you)自己的一(yi)系(xi)列挑(tiao)戰。下(xia)面是DARPA概括的一(yi)些挑(tiao)戰：

1、構造材(cai)料：外骨骼必須用堅(jian)韌、輕(qing)質且有彈性的復合(he)材(cai)料制成。該材(cai)料自身還(huan)必須能夠抵御敵方火力，以保(bao)護穿用者。

2、能(neng)(neng)量(liang)源：這些(xie)限制(zhi)主要來自于能(neng)(neng)源——現在(zai)所(suo)使用的(de)(de)(de)能(neng)(neng)源裝置實(shi)在(zai)是有點支(zhi)持(chi)(chi)不了動力外骨骼的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)消耗。補給(gei)能(neng)(neng)量(liang)之前，外骨骼具有的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)必須(xu)足(zu)以支(zhi)持(chi)(chi)24小時。此外，產(chan)生能(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)(de)裝置必須(xu)便于背挎(kua)。對于外骨骼研(yan)制(zhi)者而言，創造出零(ling)噪音機(ji)器可(ke)能(neng)(neng)是最(zui)困難(nan)的(de)(de)(de)一項任(ren)務。

3、控制(zhi)：機器的(de)控制(zhi)必(bi)須是無縫的(de)。使用者在穿(chuan)上(shang)該(gai)設備(bei)后必(bi)須能夠正常活動。

4、促動(dong)(dong)：設計者必須使機(ji)器能(neng)夠順暢移動(dong)(dong)，以便穿用者不會太笨拙。與(yu)發動(dong)(dong)機(ji)一樣，促動(dong)(dong)器也必須安靜而高(gao)效。

5、生物機械(xie)學：外(wai)骨骼必須能夠左(zuo)右和前(qian)后移動，就(jiu)像人在戰(zhan)場中那樣行進。如(ru)果它沒有這(zhe)種能力，則穿用該套裝的士兵就(jiu)可(ke)能處(chu)于極其危(wei)險的境地(di)。開發者(zhe)設(she)計的結構必須像人體(ti)一樣帶(dai)有可(ke)彎曲的關(guan)節。

軍(jun)用(yong)(yong)外骨(gu)骼(ge)將是人類研制(zhi)的(de)最復雜的(de)機器之一，它還(huan)能(neng)促(cu)進機器人的(de)開發(fa)(fa)，令機器人更像人類。外骨(gu)骼(ge)必(bi)須能(neng)夠感應人體活動(dong)(dong)并對(dui)其做出(chu)反應。它們還(huan)必(bi)須能(neng)夠將來自能(neng)量源(yuan)的(de)能(neng)量轉換為(wei)可(ke)用(yong)(yong)的(de)促(cu)動(dong)(dong)能(neng)量，以輔助穿用(yong)(yong)者開展活動(dong)(dong)。擺在(zai)開發(fa)(fa)者面前(qian)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是巨大的(de)，為(wei)了開發(fa)(fa)出(chu)這種外骨(gu)骼(ge)，新的(de)設備(bei)和發(fa)(fa)明也將不(bu)斷(duan)涌現。