嫦5返回現場驚現「鋼鐵俠」!我軍以裝備,外骨骼時代要來了?

2020-12-25 網易

  又見外骨骼!

  在這次「嫦娥五號」返回艙回收過程中,我們又看到兩名搜索隊員,在搬運外骨骼的幫助下,快速完成了夜間搜索定位任務,這是外骨骼系統首次參加航天探索活動,算是本次任務的一個小亮點。

  

  ▲ 搜索人員穿戴搬運外骨骼進行夜間回收作業演練

  (圖源:環球網)

  這套外骨骼分上、下兩個肢體模塊,能為穿戴者提供臂力、腰肌和臀大肌助力,所搭載的智能步態分析算法會根據穿戴者的肢體動作,實時調節出與之相適應的助力數值,即可靠又智能。

  

  ▲ 研發的搬運外骨骼(圖源:環球網)

  其實外骨骼這個概念一直不溫不火,它的原理和功能並不複雜,但始終沒有進入大規模應用階段,因此關注度並不高,很多人對它也是一知半解。

  然而在這次「嫦娥五號」的回收工作中,外骨骼頗具未來和科技感的成功應用,似乎昭示著這項技術已經由概念演示走向成熟階段。

  

  要知道回收現場的氣溫低於零下30度,還有超過10釐米的積雪,光是走路就很費勁了,還要徒步將100多斤的設備從直升機上搬過去,可見外骨骼幫了大忙。

  本期內容,小兵兵就和大家聊聊外骨骼的歷史、現狀、困境與前景,尤其是軍事領域的相關應用,以及它將如何改變我們的生活。

  歷史小故事

  你可能想像不到,最早的外骨骼概念誕生於1890年,俄羅斯工程師尼古拉斯·雅格設計出一種輔助步行裝置,它由壓縮氣體和木製彈力骨架提供回彈助力,幫助穿戴者在行走時節省力氣,加快速度。

  

  ▲ 輔助步行裝置的專利申請文件

  1917年,美國發明家萊斯利·凱利設計了「計步器」裝置,它利用蒸汽驅動的仿生金屬韌帶提高穿戴者的奔跑速度。

  

  ▲ 計步器的專利申請文件

  到1960年代,通用電器和美國陸軍聯合研製了「哈迪曼」動力外骨骼,它被設計為給穿戴者提供680公斤的額外負重能力,許多美國報紙將其稱為「金屬超人」。

  可惜這個項目並不成功,因為當時的技術無法讓穿戴者輕鬆操作巨大而笨重的機械臂,再加上遲鈍的關節反應,「哈迪曼」每小時只能行進3.2公裡,毫無實用性可言。

  

  ▲ 通用電氣的工程師測試「哈迪曼」

  機械臂宛如巨大的螯

  但是俗話說得好,失敗是成功的親娘,這次笨拙而滑稽的大膽嘗試,為日後外骨骼的基本定義畫出了一個清晰的輪廓:具有可操作性與力量強化。

  全球首個使用電能驅動外骨骼「Lifesuit」,由美國陸軍遊騎兵蒙蒂·裡德發明,這老哥跳傘的時候不幸摔傷,住院康復期間受科幻小說《星河戰隊》啟發,萌生了自己發明外骨骼的想法。

  

  ▲ Lifesuit使用電池供電

  能讓穿戴者舉起92千克的重物

  沒錯,就是那個滿屏幕大蟲子亂竄,血腥暴力大尺度但非常好看的《星河戰隊》。

  

  ▲ 《星河戰隊》是小說改編電影的教科書級範例

  創造了非常經典的外星人形象

  軍事應用

  對於軍隊來說,能同時提高士兵負重、力量和速度的裝置簡直不要太香,進入軍用領域也是必然的。

  美國國防高級研究計劃局於2011年開始研發戰鬥型外骨骼系統,這個項目最終成為多家企業共同參與的長期性招標競賽,小兵兵給大家列舉幾個比較有代表性的參賽設計。

  雷神與薩科斯公司聯合研發的XOS2,能長時間舉起200磅(90千克)的重物,折斷三英寸(7.6釐米)厚的木板↓

  

  EKSO與洛馬推出的「通用負載搬運器」(HULC),也可承載90千克重量,且不會給穿戴者帶來壓力,提供最高11公裡/小時的移動速度,還配有空調系統和傳感器↓

  

  最受美軍青睞的設計是洛馬公司研發的Onyx「瑪瑙」下肢助力系統,它能提高士兵在崎嶇地形中的機動性,減輕身體疲勞與肌肉壓力↓

  

  在洛馬拍攝的宣傳片中,穿戴瑪瑙的測試員人可以抱著沉重的155毫米炮彈輕鬆爬上30°斜坡,或背負40磅(18千克)裝具快速登上7樓,效能十分明顯。

  

  另一個獲獎設計是Dephy公司的Exo-boot腳踝支撐設備,其主要功能是在士兵穿戴外骨骼負重機動時保護踝關節,防止崴腳扭傷,可與洛馬的Onyx助力系統組合使用↓

  

  ▲ 這東西……看起來好像很簡陋

  美國人那邊玩的不亦樂乎,我兔也沒當看客。

  在去年陸軍舉辦的「超能勇士-2019」單兵外骨骼系統挑戰賽中,有近百支代表全國各科研機構、院校和企業的隊伍,帶著自己研製的外骨骼參賽。

  

  比賽要求士兵穿戴外骨骼後,額外負重25公斤並行軍5公裡,限時完成穿越起伏路面、碎石地、翻越臺階、攀爬繩索等7個項目,最終在5分鐘內完成總重375公斤的彈藥搬運,以測試外骨骼提高負重能力、減輕體力負擔與緩解疲勞的性能。

  

  除了中美,俄羅斯、澳大利亞等國也積極投了相關研究,證明外骨骼的使用前景已經被廣泛認可。

  

  ▲ 俄羅斯Rostec公司開發的外骨骼概念

  遺憾的是,世界各國的單兵外骨骼系統還處在初步發展階段,性能遠達不到科幻電影《流浪地球》或《明日邊緣》中的那樣,集生存保障、力量強化、靈敏感知等功能於一身。

  

  ▲ 電影《明日邊緣》中的戰鬥外骨骼

  目前有幾個典型的技術障礙。

  1、傳感器速度不夠靈敏,操作者本身的動作與系統反饋存在一定延遲,士兵行動的幅度和速度比較受限。

  

  ▲ 澳大利亞陸軍研發的DSTO外骨骼系統

  2、動力持續性差,外骨骼要想達到理想中的強化效果,所需要的動力至少要和小型摩託車相當,可現階段的電驅技術無法滿足這一點。

  相比內燃機,鋰電池已經非常輕便、小巧,但對於單兵來說還是太重,而且易燃易爆,需要頻繁充電,無法適應瞬息萬變的戰場環境。

  

  3、讓前線士兵普遍裝備外骨骼將花費巨額預算,還會給後勤造成很大壓力。

  像頭盔、戰術背心、步槍這樣的單兵裝備都有標準尺寸,但外骨骼可能需要和衣服、靴子一樣設定不同的尺碼,生產、維護和前線調配都是麻煩,只能以降低功能性來換取生產簡化。

  美國特種作戰司令部2013年開始研製的TALOS——戰術突擊服就是因為這些問題而下馬,現階段的動力方案顯然不支持全身防彈裝甲、盔顯等複雜功能。

  

  ▲ 為陸戰隊研發的TALOS

  四等人好不容易闊氣一回還沒闊氣成

  外骨骼的實際應用水平,仍然停留在提高上下肢力量、減輕人員負擔的層面,但達成這一點已經很不容易。

  想在現實生活中看到《流浪地球》的外骨骼系統,恐怕還需要很多年。

  不過中國軍工人想到了變通的辦法:有動力的難攻克,那咱們可以先上無動力的啊。

  據央視軍事12月10日報導,西藏邊防戰士有新利器了——單兵外骨骼,可以利用這項"黑科技"來進行困難的物資補給。

  

  這款列裝部隊的單兵外骨骼,是由中國兵器集團研製的外骨骼系統,分為上肢機構和下肢機構,是純機械式助力。系統總重量小於5千克,最快穿戴時間不高於2分鐘,最快解脫時間不超過30秒,行走時肩部可減輕30%的重量,站立時肩部可減輕50%的重量。

  前景大好民用發展

  然而雖然軍隊中外骨骼還沒達到理想要求,但外骨骼在民用領域的前景同樣不可限量,而且民用版的實用化進程明顯更快一些。

  今年4月,網上出現一張餓了麼騎手穿戴外骨骼系統,一次性背負三個外賣箱子的照片,這玩意兒就是主流的助力外骨骼。

  

  研製公司傲鯊智能還做了更為細緻的產品線分類,囊括MAPS-U(上肢),HEMS-L(腰部),HEMS-GS(下肢),分別對應不同的使用場景。

  Emmmmm……難道《死亡擱淺》中的快遞員要走進現實了?胖兵倒是想知道最多能疊幾個箱子

  

  

  ▲ 「溫馨提示:您的快遞已經完蛋」

  2015年,日本ATOUN公司研製腰部外骨骼「ATOUN MODEL A」一經上市就廣受好評,多家日本物流公司已開始使用。

  這款設備通過肌肉壓力傳感器分析穿戴者的動作,讓伺服馬達帶動設備幫助工人完成下蹲、起身等動作,減輕人力負擔。

  還有這款由美國SuitX公司和加州大學伯克利分校合作開發的外骨骼Phoenix,它能輔助殘疾人行走或搬運重物。

  

  SuitX的新款產品MAX則專為建築工人設計,旨在幫助他們輕鬆完成繁重的體力勞動,預防腰肌勞損、跌打扭傷。

  在可預見的未來,外骨骼的受益者將不僅是騎手、工人和殘障人士,技術進步還會繼續改善我們所有人的生活。

  

  不過小兵兵擔心,外骨骼會和各種算法一樣,從提供便利的發明變成資本壓榨打工人的工具,也許「搬磚」將不再是底層體力勞動的戲稱,而是貧窮的代名詞。

  至於它的利弊到底幾何,我們只能讓時間來慢慢證明。

  參考資料:

  環球網:中國「鋼鐵俠」抱起「嫦娥」

  央廣軍事:「超能勇士-2019」比武:現實版「鋼鐵俠」震撼來襲!

  Army-Technology:US Army trials exoskeletons for military use——Talal Husseini

  Lockheed Martin:Strength To Go The Distance

  Forbes:Why Military Exoskeletons Will Remain Science Fiction——Vikram Mitta

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