人體外骨骼系統來了,擁有「鋼鐵俠」盔甲不再是夢

2021-01-12 澎湃新聞

還記得《鋼鐵俠3》中,小羅伯特·唐尼飾演的主人公託尼·斯塔克在空中引爆的36套鋼鐵鎧甲嗎?

當時,也就是《復仇者聯盟》中的紐約戰役後,鋼鐵俠的生活遭到強敵嚴重破壞,在無路可退的情況下,託尼·斯塔克依靠設計精良的高科技裝備——鋼鐵鎧甲,最終戰勝了強敵。

現在,這樣高科技的鋼鐵鎧甲不再只是電影中的想像,只是現實中它的名字變了,科研人員稱其為人體外骨骼。

目前,人體外骨骼的應用已經相當普遍,從戰場到工廠,再到整形外科和物理康復,都有它的身影。

最新一期的《經濟學人》中就介紹了人體外骨骼的最新進展。人體外骨骼是將人造骨頭和肌肉穿戴在人體外面,起到輔助和保護的作用。

看了上圖是不是覺得人體外骨骼根本沒有必要,長期負重還會對人體造成傷害?實際情況卻恰恰相反。

《經濟學人》指出,士兵身體81%的部分沒有得到防彈衣和頭盔的保護,而目前一個美國軍人的裝備負重是50kg,這幾乎超過美國陸軍科學委員會規定負重的2倍。有了人體外骨骼後,則能幫助士兵減輕負重,同時還能起到保護作用。現在這樣的裝備無論是在戰場上還是戰場外的使用都在增加。

最先進的人體外骨骼裝備是由美國佛蒙特州一家叫修訂軍事(Revision Military)公司生產的裝備。該款裝備的全名為人動操控服(KOS:Kinetic Operations Suit)。對於一個士兵來說,這套操控服給了他三倍的保護,卻只給他的運動增加了一點點的負擔。

人造脊椎將頭盔的重量分散到肩膀上的鎧甲上。鎧甲的重量保護了士兵的軀幹,即通過其他人造脊椎將重量轉移到臀部和腿部。這樣一來就減輕了他頸部和背部的所有重量,頸部和背部是人類骨骼中最薄弱的環節。但士兵的腿部還是需要承受額外的重量。為了解決這個問題,KOS使用鈦鋁裝置,同時加上鎧甲來降低下肢。電動馬達通過服裝用的線連入加速器和嵌在服裝裡的傳感器上,這樣一來士兵在移動腿部時就能移動這些軸承。

根據曾在修訂軍事公司工作的前特種部隊士兵布萊恩·道林的採訪,該系統既靈活又強大到足以幫助佩戴者滿載跨越崎嶇地形。目前,包括美國在內的一些國家軍隊正在評估這個系統。

《經濟學人》還介紹了另外一套目標更加野心勃勃的軍用外骨骼系統,這套系統由特種部隊自行開發。該項目的承包商中有美國國防建設行業中最響亮的名字,例如通用動力、洛克希德馬丁公司和雷神公司。有趣的是,這其中還包括了設計科幻電影《鋼鐵俠》中鎧甲的好萊塢特效公司Legacy Effects。這些公司拿出了被稱為戰術突擊燈操作服的裝備(Tactical Assault Light Operator Suit,簡稱TALOS),這套裝備的簡稱是古希臘神話中一個神秘動物的名稱。

TALOS的重量將是穿戴者的2倍,這樣的重量能防彈。同時,這套衣服還提供了冷卻系統;一組監控穿戴者生理狀況的傳感器和超人般的力量。根據特種作戰司令部負責人General Joseph Votel的話,這套裝備的結果將具備「舉世無雙的戰術能力」。

《經濟學人》稱,TALOS的原型應用可能得等到2018年,它的戰爭版至少還要等十年。即使是修訂軍事公司製造的稍微溫和的系統,要適應戰爭也得等好幾年。在此期間,世界其他各國軍隊都在尋找無動力的人體外骨骼系統。

澳大利亞國防部設計的被動式可穿戴外骨骼

例如澳大利亞國防部設計的被動式可穿戴外骨骼,能將士兵負重的2/3直接轉移至地面。這套系統重量不到3千克,配有兩條簡易鮑登線(即能夠在獨立外殼內移動的鋼纜)。鮑登線通常用於提供一種拉力(如摩託車的離合器),由於這些纜線的外殼能夠起到固定作用,防止纜線發生捲曲,使其還能提供一種推力(如艦船的轉向控制)。正是藉助這一特性,被動式可穿戴外骨骼才能將負重從背包轉移至地面。另外,這些纜線是柔性的,能夠隨穿戴者彎曲,不會妨礙穿戴者的動作範圍。而且,如果不需要這些纜線,可以簡單拆卸並放入背包攜行。

另外,美國歷史上最為知名的一家軍工企業——洛克希德馬丁公司則已經向外界展示了自己的FORTIS軍/民兩用外骨骼。這款外骨骼的一個重要優勢就是能夠適配穿著者的身高和體型,幫助穿著者搬起重達16公斤的物品,而不需要穿著者自身花費太多力氣,因為外骨骼可以自動追蹤穿著者的動作。

目前洛克希德馬丁公司已經在FORTIS框架下開發了兩套不同的外骨骼,並且已經拿到了美國國防部的訂單,將會在佛吉尼亞州和華盛頓州兩個美國海軍造船廠開展測試實驗。

隱形椅子

汽車製造商業也在加入這個行業。今年早些時候,奧迪和戴姆勒公司就與瑞士的Noonee合作,開發一款名叫「隱形椅子」的產品。這項產品主打舒適服貼,由鋁和碳纖維材料所製作,重量只有2公斤,當使用者需要椅子的時候,只要將雙膝彎曲,做出「坐椅子」的姿勢就會啟動設備,蹲到某個角度就能自動鎖定支架,「空氣椅」也就完成了。在其未被激活時,你可以正常走路,甚至跑動。而按下按鈕後,它可以迅速鎖定你指定的位置,然後讓你坐下,如同那裡有一把椅子一樣。

最後,除了公司在研究人體外骨骼系統,一些大學也有自己的研究,包括加拿大多倫多的裡爾遜大學和著名的卡內基梅隆大學。其中卡內基梅隆大學設計的「協助行走離合器」(Walking Assist Clutch)可模仿人類控制腿的方式,讓人保持平衡。

他們通過研究人類的反射行為和其他神經肌肉控制系統,設計出該平衡控制系統,並且在仿真實驗室中進行過實驗,結果證明該系統能讓人在不平坦的地面步態平穩,即使傾斜或遇到推力也能很快從中恢復平衡。

最後,《經濟學人》指出,人體外骨骼的未來研發很有可能不在動力版本的系統上,而在於市場應用前景廣闊的醫療輔助領域和生活中。以歐盟為例,目前正在跨國開發一個名為機器人伴侶(Robo-Mate)的項目,資金達到1500萬歐元。該項目包括上下兩個外骨骼動力系統,能減少90%的負重量。最早的實驗對象是菲亞特公司,第二個是法國的INDRA公司。這套系統希望能幫助流水線上的工人,減輕他們的工作負擔。

也不單只有機器人伴侶項目,從松下的Activelink公司再到義大利的機器人技術實驗室,目前都在開發體外骨骼系統,希望能幫助工人減輕工作負擔。

ReWalk

當然,對於那些截癱的人,人體外骨骼系統能給其帶來最大改變。現在無論是以色列公司生產的ReWalk機器人,還是克利夫蘭當地生產的人工骨盆運動器,都能附在人體外部,幫助佩戴者行走,能讓其在一個小時的時間內,在電池耗盡前,幫助其爬上樓梯。

2012年以來,ReWalk機器人已經在歐洲上市,美國的上市時間是2014年。美國的派克漢尼汾公司的產品在今年11月份已經批准在歐洲上市,美國也指日可待。

外骨骼系統的用途非常廣泛,一些系統能在戰場上起到作用,但有時候,對於平常人來說,能幫助他們徵服一節樓梯就夠了。

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