外骨骼将如何工作

自古以来，战士身上就有盔甲，但拥有机械肌肉的身体这个概念早在1868年的科幻小说中就出现了，当时爱德华·西尔维斯特·埃利斯(Edward Sylvester Ellis)出版了一本廉价小说《草原上的蒸汽人》(the Steam Man of the prairie)。这本书描述了一个巨大的人形蒸汽机，以每小时60英里(每小时96.5公里)的速度拖着它的发明者约翰尼·布雷纳德，同时追赶水牛和恐吓印第安人。

到1961年，也就是漫威漫画创作出虚构的钢铁侠的两年前，五角大楼实际上已经邀请了可穿戴机器人的提案。美联社报道条寻求发展“伺服士兵,”它描述为“一个人类坦克配备动力转向和刹车”,能够有趣的更快,举起重物,将免疫细菌战,毒气甚至热量和辐射核爆炸[来源:Cormier]．到20世纪60年代中期，康奈尔大学的工程师尼尔·米森(Neil Mizen)已经开发出了一种重35磅(15.8公斤)的可穿戴式外骨骼，被称为“超人服”或“人体扩音器”。《大众科学》杂志欣然预测，最终使用者每只手可以举起1000磅(453.6公斤)。与此同时，通用电气(General Electric)计划制造一种18英尺(5.5米)高的“机械手”(pedipulator)，可以携带操作人员在机器人内部走动(来源:Cloud)。

这些概念被证明是不切实际的，但研究仍在继续。20世纪80年代，洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的科学家们设计了一种名为皮特曼(Pitman)的服装，这是一种供美国陆军步兵使用的全身动力外骨骼。但它仍停留在绘图板上。上世纪90年代，位于阿伯丁试验场的美国陆军研究实验室(U.S. Army Research Laboratory)曾探索制造一种与钢铁侠的宇航服有一些相似之处，但这个项目也从未取得任何进展。Guizzo]．

多年来，未来的动力外骨骼制造商一直受到技术限制的阻碍。当时的电脑速度太慢，体积太小，无法完成让一套衣服对穿着者的命令或动作做出反应所需的处理。当时没有足够便携的能量供应，而驱动装置，也就是用来移动外骨骼的机电肌肉，又太弱又太笨重，无法像人体一样工作。尽管如此，机械化装甲超级士兵的想法仍然吸引着陆军将领们，科学家和设计师们继续努力研究这种可能性[来源:Guizzo]．

在下一节中，我们将看看他们在解决这些问题和开发实用动力外骨骼方面取得的进展。

这是一幅艺术家的概念图，描绘了未来士兵佩戴外骨骼机器时的样子。

照片由美国国防部高级研究计划局

21世纪初，对现实版钢铁侠服装的追求终于有了进展。

美国国防部高级研究计划局(DARPA)是五角大楼的前沿技术孵化器，为一项耗资7500万美元的“人体性能增强外骨骼”(exoskeleton for Human Performance enhancement)项目提供了资金，以加快这方面的进展。DARPA的愿望清单的装甲服非常雄心勃勃:它想要一台机器,允许一个士兵拖数百磅的齿轮为天不知疲倦地,处理大重型武器,通常需要两个操作数,并能携带其他受伤士兵的领域。它还希望机器不会受到炮火的攻击，并且能够跳得非常非常高。一些研究人员认为这个想法不可能实现，但其他人愿意大胆设想。局部激素]．

一家名为Sarcos——史蒂夫•雅各布森为首的机器人的先前的项目包括一个80吨的机械恐龙——提出了一个创新的系统中,传感器检测人类用户的肌肉的收缩和使用它们来操作一系列的阀门,进而调节高压液压油的流动的关节。然后，这些机械关节通过连接电缆来移动圆柱体，模拟人体肌肉上的肌腱。结果是一个名为XOS的实验原型机，看起来有点像科幻电影里的人虫杂交体。到2005年，XOS成为最接近军方愿景的设备，该项目进入了开发阶段。Sarcos最终被雷神公司收购，雷神公司继续了这项工作。局部激素]．

与此同时，其他机构，如伯克利仿生学，致力于减少假肢所需的能量，这样动力外骨骼就能在该领域长时间发挥作用，以实现实际应用。据报道，2000年中期的一种设计，载人载重车，能够在不充电的情况下工作20小时[来源:局部激素]．

在近十年末的时候，一家名为Cyberdyne的日本公司开发出了机器人套装HAL，这是一个更加巧妙的概念。HAL没有依靠操作员的肌肉收缩来移动四肢，而是安装了传感器，接收操作员大脑发送的电子信息。从理论上讲，基于HAL-5概念的外骨骼可以让用户在不动肌肉的情况下做任何他或她想做的事情，仅仅是通过思考[来源:赛博达因]．

在下一节中，我们将介绍动力外骨骼的最新技术，以及这项技术可能很快会走向何方。

到2010年，美国国防高级研究计划局(DARPA)的外骨骼项目已经产生了一些有前途的技术。Network World报道称，目前的系统重约55磅(25公斤)，可以让人工操作人员轻松携带200磅(91公斤)的重物，大大减少了疲劳。此外，最新的外骨骼比典型的办公室打印机更安静，可以以10英里每小时(16公里每小时)的速度运行，并进行蹲坐和爬行，除了提升[来源:Heary]．雷神公司对自己的前景非常有信心，以至于在2010年发布了一段视频，由《钢铁侠》系列电影的演员之一克拉克·格雷格(Clark Gregg)作为第二代空手道切割的外骨骼做旁白，做俯卧撑和举重[来源:温伯格]．

与此同时，另一家国防承包商洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)也在研发一款与之竞争的外骨骼，该外骨骼设计用于重物搬运，能够通过下半身外骨骼的机械腿将重物转移到地面。该公司表示，这种外骨骼还能够进行深蹲、爬行和上半身抬起，而人类的消耗却很小。

这些外骨骼机器还将配备传感器和全球定位系统(GPS)接收器。士兵们可以使用这项技术来获取他们正在穿越的地形信息，以及如何导航到特定的地点。美国国防部高级研究计划局(DARPA)还在开发可以与外骨骼一起使用的计算机织物，以监测心率和呼吸频率。

如果美国军方如愿以偿，将会有一群超级士兵，他们可以跳得更高，跑得更快，通过绑上这些外骨骼来举起巨大的重量。即便如此，在现实生活中的钢铁侠走上战场之前，可能还需要至少几年的时间。

与此同时，动力外骨骼在和平时期也可能带来巨大的好处，因为这项技术最终可能会使脊髓损伤或神经肌肉疾病致残的人过上更完整的生活。例如，伯克利仿生学公司(Berkeley Bionics)正在测试一种由充电电池供电的外骨骼eLegs，这种外骨骼的设计目的是让残疾人能够行走，在没有帮助的情况下从坐姿起身，并站立很长一段时间[来源:伯克利仿生学]．