【萬花筒】軍用動力外骨骼編年史

2021-02-23 21ic電子網

武器一直是戰爭片的無名配角,但在科幻戰爭片中,充滿設計感的未來武器往往超越故事和角色令人印象深刻。在《明日邊緣》一片中,人類的軍用動力外骨骼系統伴隨著湯姆克魯斯完成了從菜鳥到戰神的驚天大升級,令很多軍事愛好者津津樂道。觀影結束後,這裡按時間年代順序收集整理了軍用動力外骨骼的相關介紹資料。


在1986年電影《異形2》中的決戰場景中,裡普利中尉藉助「動力裝載機」的獨特裝置與異形女王殊死搏鬥。很多人都稱是這部科幻電影給了軍事科技人員啟發,從此美國軍方研製出能夠大大提高單兵作戰能力的輔助技術裝備,即動力外骨骼(PoweredExoskeleton)。

但遺憾的是動力外骨骼概念的最早提出者不是銀幕工作者,早在1890年,一位名叫尼古拉斯•亞金的俄羅斯科學家就發明了可以輔助人們行走、跳躍和奔跑的動力外骨骼裝置,這套裝置非常簡單,只是藉助彈簧鋼板達到行走省力的目的。


尼古拉斯•亞金的外骨骼專利

1917年,美國發明家萊斯利•凱利提出了一種被稱為Pedomotor的外骨骼裝置,這是一套蒸汽動力的助動裝置,穿戴者背部的小型蒸汽機牽拉捆綁在腿部的鋼索實現助力行走。這兩種裝置距離實用化還差得很遠,只是一種簡單下肢的助力裝置,並不能隨人體自然完成複雜的動作。


Pedomotor外骨骼,穿戴者需要背一臺小型蒸汽機

1960年,美國通用電氣公司首次提出增強人體機能的主動助力型外骨骼機器研究,開始了名為「哈迪曼-1」的動力外骨骼項目,但由於當時材料、機械設計、電子技術等諸多因素的限制,哈迪曼體積巨大,重約680公斤,整個系統由30個液壓動力源和伺服隨動鉸鏈組成,採用主-從控制模式,雖然能將人類四肢的力量放大25倍,但非常的不穩定,對操作員不安全且只能替代人的一隻手,因此實用價值幾乎為零。但這個研究開創了人類研發動力外骨骼的先河,相信也多多少少影響了好萊塢科幻電影工作者。


美國通用電氣公司的「哈迪曼-1」


「哈迪曼-1」的機械手

1961年,美國洛斯阿拉莫斯實驗室也開展了名為「皮特曼」(Pitman)的動力外骨骼盔甲項目。日後大紅大紫的鋼鐵俠的非常接近「皮特曼」(註:《鋼鐵俠》於1963年2月《懸疑故事》第39期首次亮相),「皮特曼」外形接近於太空衣的封閉式盔甲,自重227KG並能攜帶136KG的裝備,外層盔甲由玻璃纖維和聚合物/陶瓷複合裝甲製成,可抵禦12.7毫米穿甲彈的射擊,還具有核生化防護能力。穿戴者通過虛擬實境技術的頭盔顯示器來感知外界環境,這和鋼鐵俠如出一轍。即使以現在的標準來看「皮特曼」,其概念也是很先進的,如氫/氧燃料電池、內置輔助動力單元和空調、電動人造肌肉驅動、大腦意念感應操縱等技術,但就是這些過於先進的技術使該項目最終成為了空中樓閣。


「皮特曼」動力盔甲

1978年,美國麻省理工學院也從開始了動力外骨骼項目的研究,這套系統總重量11.7KG,能讓穿戴者在負重36KG的情況下保持每秒1米的行走速度,並將80%的負重傳遞到地面,同時裡程碑式的採用了彈簧儲能和變阻尼器關節驅動。這套系統雖然至今尚未成功,但卻為日後動力外骨骼裝置確定了框架。


1978年麻省理工學院研製的動力外骨骼

1983年,坐落於美國鹽湖城的Sarcos公司開始研究動力外骨骼項目,來自猶他大學的創始人史蒂芬•雅克布森(Stephen Jocabsen)將這個項目稱之為XOS。XOS的控制原理類似於飛機的線性傳導控制,在精心挑選的位置設置力傳感器,當穿戴者移動肢體開始動作時,受力的傳感器立即通知中控電腦,電腦通過高速計算外骨骼採取何種動作來幫助穿戴者,然後指示恰當位置的液壓元件移動活塞完成動作,使穿戴者可以輕鬆連續500次舉起放下90kg的槓鈴。雖然這套系統自帶的電池只能使用40分鐘,存在能耗大的嚴重缺陷,但依然在2000年獲得美國國防部高級研究計劃署的1000萬的資金贊助。


Stephen Jocabsen與XOS

2000年,美國國防部高級研究計劃署(簡稱DARPA,該機構資助研發了網際網路傳輸控制協議/網際網路協議)發布了「增強人體機能的外骨骼」項目(簡稱EHPA)的研製招標書,提出以下4個方面的要求:1.外骨骼系統必須使用堅固、輕型且有彈性的材料。這種材料必須能夠保護穿戴者,以大幅度減少傷亡。2。外骨骼系統攜帶的能源必須能夠維持24小時的工作,而且必須輕且完全無聲。3.外骨骼系統必須能夠同步士兵的動作,能夠加強士兵的力量並模仿士兵的各種動作,包括戰場上的前後左右移動躲閃。目標是讓士兵背負更大質量的同時仍然能夠跑得更快、跳得更高更遠。4.這套系統必須採用流暢、高效且完全無聲的液壓元件。計劃啟動後,共有3個單位獲選分別進行EHPA的初期研製工作,分別是橡樹嶺國家實驗室、加州大學伯克利分校和Sarcos公司。

值得一提的是,美國「千年噴氣機」公司曾為EHPA計劃研製了一款名為SoloTrekXFV的外骨骼飛行器,這套飛行系統能夠持續續航2個小時,噪音低,無線電和紅外線信號弱,對戰場後期保障要求也很低,士兵只需用左手操作油門,右手操縱一個3軸的操作杆就可以飛行。這套堪比蝙蝠俠的飛行裝備出現時曾備受軍方關注,然後……然後就不了了之了。


SoloTrekXFV外骨骼飛行器

2004年,加州大學伯克利分校發布了伯克利下肢外骨骼(簡稱BLEEX),BLEEX採取人體行走動作充電的方案,電源可維持20小時,最大負載可達45kg,在最大負載時,穿戴者的氧氣消耗量比自力負擔同樣質量要少15%。伯克利分校推出的第二代BLEEX在零部件微型化方面很有成效,所有的電子線路和許多機械部件都容納在金屬管內。但由於發電裝置影響到行走步態,所以使用者消耗的能量反而較多。


BLEEX

2005年,Sarcos公司的XOS在眾多EHPA方案中脫穎而出。從2006年起,Sarcos公司開始獨挑大梁研製美國軍用動力外骨骼。而在同年,美國洛克希德馬丁公司對加州大學伯克利分校的第二代BLEEX系統,進行了重新設計並試製了演示樣機,改稱為Human Universal Load Carrier(簡稱HULC)。

2007年11月,Sarcos公司被世界第六大軍火商—雷神公司(Raytheon Sarcos)收購,開始研製第二代XOS 2外骨骼。2008年4月28日,雷神公司宣稱XOS已獲得顯著成功,但仍在繼續改進,美軍於2009年開始測試經過改進的型號。

2009年2月26日,洛克希德馬丁公司的HULC正式公布。HULC重24KG,由鈦金屬製成,採用兩塊總重3.6KG的鋰聚合物電池電池驅動,一次充滿電可保證穿戴者以4.8公裡/小時的速度背負90KG重物持續行進一個小時,最高速度則可達到16公裡/小時。HULC平時收納在一個很小的拉杆箱裡,使用時穿戴時間不超過30秒,士兵使用時只需要把腳踩在託盤上,固定好大腿、腰部和肩部的系帶,HULC的感應器就會自動偵測穿戴者的行動意圖,然後驅動液壓組件做出相應的動作,保證HULC的動作與穿戴者的動作一致。試驗顯示,穿上HULC後能夠明顯降低人體對氧氣的消耗量。據統計,在試驗人員穿戴上HULC並背負36.7KG的物資以每小時3.2公裡的速度行進時,其對氧氣的消耗量量可比不穿HULC時減少大約15%。HULC沒有雙臂助力,在提舉重物時只能通過胸前的吊臂進行。洛克希德預計在2014年可以量產HULC,預定售價25000美元。


HULC

2009年10月27日,俄國防部第3中央研究所所長弗拉基米爾•博伊科宣布將斥資3500萬美元在2015年前開發出「勇士-21」可穿戴式外骨骼,裝備這套系統後步兵滿負荷行進時速度可達到16公裡/小時。「勇士-21」外骨骼系統的金屬材料採用納米技術,與第一代外骨骼相比,重量減少了14KG,大大提高士兵的機動性,這將有效提高傳統步兵的戰鬥力,並給俄陸軍帶來革命性轉變。但「勇士-21」在開發上面臨的最大困難是持久動力源,它必須功率強大,且無噪音,而俄羅斯現有工業基礎無力提供這樣的動力裝置和特種燃料。此外,「勇士-21」的單個外骨骼組件也有待完善設計。


勇士-21

2010年9月,雷神公司在其位於美國猶他州鹽湖城的研究機構內推出了XOS 2。XOS 2比第一代外骨骼重量更輕、速度更快、能力更強,同時其耗電量降低了50%,並利用高壓液壓驅動,分為作戰型和後勤型兩種型號,作戰型只有腿部和腰部附件,後勤型增加了雙臂助力。XOS 2向實用化邁進了一步,被美國時代雜誌列為2010年的50大發明之一。


XOS 2後勤型

2011年,法國某防務公司在國際軍警保安器材展上,展出了其與法國武器裝備總署聯合研製的名為「大力神」(HERCULE)的協同可穿戴式外骨骼,旨在使穿戴者能夠輕鬆攜帶重物,輔助士兵並增強其在戰場上的負重能力和持久作戰能力。「大力神」外骨骼主要由機械腿(結合有機械裝置、計算機和電子裝置)和背部支撐架組成,使穿戴者能夠輕鬆背負重物。該外骨骼不久還將配裝機械臂,以使穿戴者能夠搬運重物。「大力神」外骨骼的獨特之處在於不採用無線電控制,能夠自動探測到肢體運動,隨後根據支持意圖代替穿戴者執行這一動作。與其他競爭項目不同的是,「大力神」外骨骼採用專利技術,具備出色的性能和密實度。「大力神」可攜帶100KG重物,其電池可使穿戴者以4千米/小時的速度行進5小時。


法國「大力神」(HERCULE)3D效果圖

隨著動力外骨骼技術的逐漸成熟,為外骨骼加上盔甲製造出動力盔甲再次被提上日程。雷神公司已經在設計第三代XOS 3動力盔甲系統,盔甲由模塊化鋁合金和複合材料製成,液壓管路統統遮蔽在內部,從而大大提高人員和系統的生存力。而美國陸軍不久前公布的動力盔甲模型,堪稱「陸地簡化版」的鋼鐵俠,據說這套盔甲可能會使用革命性的「液態金屬」裝甲技術,這種材料通過電流與磁場的感應作用能在1毫秒內固化,足以抵擋子彈或爆炸碎片襲擊。此外在穿戴者受傷時,盔甲能自動提供氧氣並止血。


美國陸軍動力盔甲模型

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