王新蕊 范宇翔 刘钰
外骨骼是一种为生物提供保护和支撑的坚硬外部结构。军用助力外骨骼就是模仿生物外骨骼，融合了机械、电子、传感器、智能控制、传动及能源等技术，根据人体结构特点设计的外置动力机械装置，可穿戴在士兵身上，直接与肌肉骨骼系统相互作用，能扩充或增强人体的生理机能，赋予士兵部分或全部生物外骨骼所具备的支撑、保护、运动以及环境感知等功能，提高士兵的承载能力、行进速度和越障能力，大幅提升士兵的承载携行能力和搬移托举能力，具有可穿戴、易操作、高机动、智能化等特征，在单兵负载、越野机动、搬运物资、装卸炮弹、工程作业、使用重型维护工具等方面均能发挥重要作用。
初始概念——科学幻想
外骨骼并非近年来才有的新事物，其起源可以追溯到19世纪。有趣的是，它并非源于发明家，而是出自英国插画师罗伯特·西摩在1830年所绘的一幅插画，画中人物被安装了一个以蒸汽为动力的辅助行走装置。这一画作启发了无数科学工作者。1917年，美国发明家莱斯利·凯利率先实现了罗伯特·西摩的蒸汽动力辅助行走装置。但由于在实际使用时穿戴者必须背着一台小型蒸汽机，且装置无法完美地随人体完成复杂的结构变形，此项发明最终被搁浅。
美国科幻小说家罗伯特·海因莱因1959年出版的着名科幻小说《星船伞兵》中提出了“动力装甲”这一科幻概念，可以看作机械骨骼的雏形。在詹姆斯·卡梅隆1986年导演的电影《异形2》中有一个场景，蕾普莉中尉借助一种称为“动力装载机”的独特装置与怪物进行殊死搏斗。这些科幻小说和电影给了军事科技人员很大的启发，研究人员希望能够研制出真正大大提高单兵作战能力的辅助技术装备。
最早开始研究机械骨骼这项技术的主要是美国和日本。就用途来看，美国在机械骨骼上的发展是围绕军事用途展开的，日本则努力以商业用途开发机械骨骼，特别是帮助残疾人和老年人进行日常活动，如散步、爬楼梯、负载等。
1960年代
1960年，通用电气公司研制出一种名为“哈迪曼”（Hardiman）的可穿戴单兵装备，采用液压电机驱动。该公司第一个提出并开展增强人体机能的主动助力型机械骨骼机器研究。“哈迪曼”能把穿戴者的力量放大25倍，不过限于当时的技术水平，其机械骨骼体积巨大且笨重，安全性能低，也只能取代单只手功能。
1970年代
1978年，麻省理工学院研究了“增强人体机能的机械骨骼”，负重问题有所改善，但其驱动能源与便携式问题尚未解决，没有完整的成果问世。
1990年代
1991年，日本神纳川理工学院开发了一套独立的可穿戴助力外套，称为“动力辅助服”，该产品使用肌肉压力传感器，分析佩戴者的运动情况，通过微型气泵、便携式镍镉电池及嵌入式微处理器，提供足够的助力。该产品专为护士研制，可使人的力量增加近1倍。
实用探索——目标挑战
美国在机械骨骼实用探索方面的研究走在了世界前列，五角大楼认为，未来单兵系统应当全面实现机械化和自动机器人化。2000年，美国国防部制定了“增强人体机能的外骨骼”项目的计划，责成国防高级研究计划局（DARPA）负责，拨款7 500万美元从事该项目的研究。该计划旨在研制出一种可穿戴骨骼，帮助负重的士兵轻松行走，以提高部队的机动能力和战斗能力。未来士兵装备外骨骼后，将成为一名超级士兵，拥有巨大的力量，可携载更多的武器装备，火力威力得到增强，防护水平也得以提高，同时可克服任何障碍，高速前进，还不会产生疲劳感。
研究目标
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并能高速奔跑的超级士兵。该计划现在仍处于研制阶段，所以这些助力外骨骼的具体细节不是非常清晰。不过，DARPA已经制定了实现的目标——
增强力量 士兵将能够携带更多武器和军需品。通过增强力量，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，极大提升防护能力。
提高速度 普通人走路的时速为6～10km，但是士兵通常还要在背包里携带重达约70kg的军需品，背负如此多的重物，军队也难以很快行进。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16km。
跳得更高更远 现在还不清楚穿上机械套装将能够跳多远、跳多高，但是军方希望这种机械装置能够帮助士兵跳过一般障碍物。
研究挑战
DARPA不是第一个尝试建造外骨骼机械套装的组织。如前所述，通用电气公司在1960年代便开发了称为“哈迪曼”的液压和电动套装。该套装的问题是太过笨重（接近700kg），根本不实用。当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，套装的笨重问题应该可以解决。然而，该项目依然存在很大挑战。
若要使外骨骼发挥作用，必须综合考虑5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——
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。这类材料自身还必须能够抵御敌方火力，以保护穿用者。
能量源 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。
控制 机械骨骼的控制必须是无缝的。使用者穿上后必须能够正常活动。
促动 设计者必须使机械骨骼能够顺畅移动，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。
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，则穿用这种装置的士兵就可能处于极其危险的境地。机械骨骼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。
研究发展
在美国“增强人体机能的外骨骼”计划的可穿戴助力外骨骼研制方面，单个可穿戴助力外骨骼组件的研究已取得快速进展。从事可穿戴助力外骨骼研制项目的单位主要有加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程试验室、萨克斯（SARCOS）公司、美国橡树岭国家试验室、盐湖城人体机能研究所和“千年喷气机”公司等。
美国外骨骼发展主要有两条技术路线，其一是第一代伯克利（BLEEX）下肢末端外骨骼——第二代BLEEX即ExoHiker和Exoclimber——第三代HULC。随后在2009年，HULC项目被美国洛克希德·马丁公司收购，进行了多次试验和改进；另一条路线是雷神公司的Sarcos XOS外骨骼——Sarcos XOS 2外骨骼。
伯克利下肢末端外骨骼（BLEEX）
伯克利大学机器人和人体工程试验室负责的美军“伯克利下肢末端外骨骼”项目已经成熟。这套装置由背包式外架、金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型传感仪作为液压泵的能量来源，其每条腿有7个自由度，髋关节和膝关节的屈曲/伸展由液压驱动。第二代BLEEX在零部件微型化方面很有成效，所有电子线路和许多机械部件都容纳在金属管内，其两个型号的参数差别较大，这是由于其应用目的、髋关节驱动方式不同造成的。其中，ExoHiker的髋关节采用的是气弹簧被动助力，主要用于长距离负重行走任务； 而Exoclimber是在ExoHiker基础上进行了改进，增加了髋关节液压缸主动助力，用于长距离负重上下楼梯、上下坡。
“人体负重外骨骼”（简称HULC）属于第三代BLEEX，系统自身质量为24kg（不含电池），最大负重可以达到91kg，搭载两块总质量3.6kg的锂聚合电池（后续准备研发燃料电池供电系统，工作时间增加到72h） ，可保证穿戴者以4.8km/h的速度持续行进2小时；在无负载的情况下，冲刺速度可达16km/h。HULC身体上半部分的承载部位可以按照需求进行配置。目前选项有抓起炮弹的抓钩、抓起重型枪械的特制吊钩等，也可以根据军方的要求专门设计承载装置。HULC的高度可以调节，使身高1.6～1.85m的士兵都可以穿戴，而且非常方便。穿戴时，士兵只需将腿伸进靴子下方的足床，而后用皮带绑住腿部、腰部以及肩部即可。脱下“金属骨骼”也很容易，只需30秒。
HULC充分采用模块化的设计理念，即机械腿和背部的托盘可以分开，如果不需要背负重物，则可以将托盘取下，以进一步减轻重量。
雷神公司Sarcos XOS
美国国防部高级研究计划局提供了1 000万美元的军事研究预算，雷神公司经过7年秘密研发出来的XOS可穿戴助力外骨骼是目前最为先进的全身式外骨骼，代表了机械外骨骼领域最尖端的技术。
XOS自身质量68kg，配备较多的传感器，如角辨向器、肌电传感器、地面传感器等，所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中，电池挂在腰部，是一个可佩戴的混合控制系统，根据生理反馈和前馈原理研制的动力辅助控制器可以调整人的姿态，使其感到舒适。穿戴外骨骼系统的使用者靠感应器和电子集成板随心所欲地控制这些机器，驱动方式为液压+缆线拉动，它可以毫不延迟地反应身体的动作，输出强大的力量，用负重9kg的力量举起90kg的重物，并且能连续举50～500次。XOS证明了机械骨骼能像人体一样自由地运动。但XOS有一个重大缺陷，自带的电池只能使用40分钟，需要拖着一条电线随时充电。
2010年，雷神公司收购了SARCOS公司之后，推出升级版XOS 2。XOS 2在结构上是全身式助力外骨骼，采用液压+缆线的驱动方式。相比它的前一代，XOS 2在样机工程化上有很大进步，质量更小、速度更快，奔跑时速为4.8km/h，耗电量降低了50%。借助于XOS 2，穿戴者可轻松将90kg重的重物举起几百次而不会感到疲劳，此外还可重复击穿7.6cm厚的木板。目前，XOS 2主要有两种型号：一种是战斗型，增加了双臂助力，只包括外骨骼的腿部和腰部附件，与HULC类似；另一种是后勤型，具备完整的身形。虽然目前美军的外骨骼装备研制主要针对后勤用途，但是考虑到其潜在的能力巨大，不排除其在将来成为单兵武器平台的可能性。
雷神公司已经在设计第三代XOS 3动力盔甲系统，盔甲由模块化铝合金和复合材料制成，液压管路统统遮蔽在内部，从而大大提高人员和系统的生存力。
发展路径——软硬之争
近年来，美国、法国等国陆续启动了多个军用外骨骼项目，以增强士兵的作战能力，同时缓解士兵运动疲劳。美军在提升单兵负重、机动等能力方面技术领先、成果显着。在之前研究的基础之上，已先后推出Fortis外骨骼、战术突击轻甲（TALOS）外骨骼、勇士织衣等多款产品，法国也致力于研制其第四代“大力神”外骨骼。同时，以色列、韩国、俄罗斯、英国、法国、意大利、荷兰以及澳大利亚等国也都有相应的军用产品问世，部分国家已形成原理样机并开展了部队试用与试验。
随着外骨骼研究的深入发展，其逐步形成了两种发展路径——刚性外骨骼和柔性外骨骼。刚性外骨骼主要是模仿人体骨骼，借助机械的力量大幅提升士兵负重能力；柔性外骨骼通过模拟人体肌肉作用原理，让人与外骨骼交互协同，而其辅助动力有限，其作用是在一定程度上缓解士兵的运动疲劳，降低损伤概率。总之，无论刚性外骨骼还是柔性外骨骼，其最终目标都是用于提升人体力量与速度。
刚性外骨骼
刚性外骨骼的设计理念来自对人体骨骼的仿生，采用刚性连接杆与肢体并联，对关节施加力矩，目的是代替人的骨骼和关节来跑跳和负重。目前最具代表性的产品是美特战司令部与国防高级研究计划局合作的“战术突击轻甲”（TALOS），其具有以下特点：一是融合了传感、控制、信息耦合、移动计算等综合技术，主要通过液压驱动仿生外骨骼模拟人体动作，在穿戴时能智能分配重量，减轻负重对身体的影响。二是采用低成本工艺技术。目前研发团队已经使用3D打印技术造出了多达800个碳纤维外骨骼组件，降低了TALOS的研发成本，三是应用轻量化材料。TALOS外骨骼采用钛合金材料制成，质量更轻，强度更高。四是防护能力高。TALOS所使用的26片外骨骼装甲主要提供胸、背以及头部的防弹能力。未来TALOS将现有的18%防护面积提升到60%，对士兵的防护效能提升到更高的层次。
柔性外骨骼
柔性外骨骼类似于智能作战服，无论感知还是执行机构都充分考虑人体的柔性特征，通过感知生理信号预判人体动作。由美国国防高级研究计划局投资研制的“勇士织衣”是这类产品的典型代表。目前，在美国国防高级研究计划局支持下，哈佛大学怀斯（Wyss）生物工程研究所、SRI国际公司分别推出了各自的“勇士织衣”样服，即“超柔”（SuperFlex）外骨骼和“柔性外骨骼服”（Soft Exosuit），两种“勇士织衣”具有以下特点：一是集成创新性强。SRI公司的“超柔”外骨骼，集成了柔性支架（Flex Grip）、柔性驱动（Flex Drive）、柔性控制（Flex Control）系统以及e-Flex电控系统等新系统，其中，e-Flex电控系统是一种刚度可变的轻型电控弹簧，能够存储能量，并限制运动范围，避免人体损伤或疲劳。二是应用能源调节技术。传感器可预知穿戴者的运动，能在精确的时间内根据需求启动外骨骼，与始终需要启动或驱动的外骨骼相比，电池使用寿命更久。三是采用全柔性结构技术。哈佛大学怀斯生物工程研究所研制的“柔性外骨骼服”（Soft Exosuit）采用大量织带，可以包裹穿戴者的腰部和腿部，具有通过提升生物肌肉潜力改善步态的作用。四是能耗大幅降低。经过5年的设计与测试，目前已完成了15套“勇士织衣”样衣的试验室与室外测试，取得了减少10%体能消耗的重大成果，下一步目标为减少25%的体能消耗。
