真實世界鋼鐵俠:穿上機械外骨骼,一起「復仇」一起飛

自鋼鐵俠搬上銀幕以來，託尼·斯塔克總共製造了42套鋼鐵俠裝甲。在最近剛剛上映的新電影《復仇者聯盟2：奧創紀元》中，我們的土豪工程師又推出了第43套裝甲MK XLIII和第44套Hulkbuster——也就是著名的「浩克終結者」。MK XLIII比起前套MK XLII並沒有實質變化，只是外觀中紅色所佔比重大了些，而功能也僅僅是多了紅外線掃描，允許操作者看穿牆面。

MK XLIII。圖片來源：wikia.com

而浩克終結者則是斯塔克專門為和綠巨人幹架設計的。這套裝甲高11英尺（約3.4米），體積是綠巨人的兩倍，由8個方舟反應堆驅動，是迄今為止最大、最高、最沉的鋼鐵俠裝甲。浩克終結者的顏色依舊以紅金為主色，身上裝有多個衝擊光束可進行攻擊，而該裝甲最重要的新特性是它配有一個名叫「維羅妮卡（Veronica）」的衛星，可以隨時為在戰鬥中損壞的裝甲提供新的配件。

浩克終結者。圖片來源：wikia.com

鋼鐵俠裝甲在我們的現實生活中是有原型的，這類裝甲被統稱為「機械外骨骼」（exoskeleton）。電影中斯塔克以驚人的速度更新著他的裝甲 ，而在現實生活中，科學家的研發速度遠沒有這麼快。讓我們來細數一下已存在的機械外骨骼設計與鋼鐵俠套裝還有怎樣的差距吧。

軍方的那些「鋼鐵俠」

目前，現實中最接近鋼鐵俠的機械外骨骼有兩套，其一就是洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）的「HULC」，另一個則是雷神公司（Raytheon）的「XOS 2」。

洛克希德·馬丁公司的HULC。圖片來源：military.china.com

雷神公司的XOS 2。圖片來源：prnewswire.com

都是DARPA的「陰謀」

如果往前看幾年，HULC和XOS 2之間是相當有淵源的，並且從開始的研發到最後的產品間也是充滿了故事。

故事要從大名鼎鼎的神盾局，啊不，美國國防先進研究項目局（Defense Advanced Research Projects Agency，簡稱DARPA）說起。2000年時，DARPA撥款5000萬美元成立了人類行動強化外骨骼項目（EHPA）。當時，DARPA 從23份提案中選出了加州大學伯克利分校、薩克羅斯研究所、橡樹嶺國家實驗室 以及米倫紐姆噴氣機有限公司作為主承包商，讓這些機構或公司去研究可以增強士兵速度、力量和耐力的機械外骨骼。

其中，加州大學伯克利分校得到了1100萬美金，用以研究可增強下肢能力的機械外骨骼技術，並於2004年由其下屬的人體工程和機器人實驗室成功研發出伯克利下肢外骨骼（BLEEX）——這就是HULC的原型。

HULC的原型：伯克利下肢外骨骼（The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton ，簡稱BLEEX）。圖片來源：berkeley.edu

2005年，BLEEX研發成員成立了Berkeley ExoWorks公司，並推出第二代產品：ExoHiker和ExoClimber，兩者都可以讓穿戴者毫無壓力地搬運約68千克重的背包。

2007年公司更名為Berkeley Bionics（2011年又改名為Ekso Bionics），並於2009年推出HULC，同時授權洛克希德·馬丁公司在軍事領域對其進行推廣。HULC由背包式外架，金屬腿框架及相應的液壓驅動設備組成，穿戴者攜帶的負荷不會作用在本人身上，而是直接經由機械外骨骼傳至地面。HULC的功能主要包括力量增強和耐力增強兩項。力量增強體現在士兵佩戴後可搬運90千克的重物而毫無感覺；耐力增強體現為在3.2km/s的行動速度下可降低5%~12%的氧氣消耗。

由背包式外架，金屬腿框架及相應的液壓驅動設備構成的HULC。圖片來源：wired.com

而Sarcos Research則分到了990萬美金，用以研究全身機械外骨骼。他們於2006年發表了第一款原型機——XOS 1，這也是XOS 2的原型。XOS 1搬運重量的實際和察覺比為6：1，也就是說搬運60千克的重物時，穿戴者會感到只搬運了10千克。2007年，雷神公司收購了Sarcos，並在2010年推出XOS 2。XOS 1當初設計的目的最主要是證明理論的可行性，XO2才對性能有了更高的要求，需要更輕、更快、更強的設計，並且需要降低能源消耗。相比第一代產品，XOS 2的重量輕了10%，搬運重量的實際和察覺比為17：1， 能源消耗也降低了50%。

XOS 1。圖片來源：popsci.com

XOS 2。圖片來源：engadget.com

XOS的原理是當身體運動時，力量傳感器（sensor）將運動部位的力量大小用信號的方式傳送到電腦。電腦（computer）會計算機械外骨骼的運動，並算出如何最大程度降低使用者的用力。然後，電腦會將信號傳輸到閥門（valves），通過控制高壓液體的流動來控制關節處的圓柱制動器（cylinder actuator）移動，並拉動線纜（cables）去驅動機械外骨骼——就跟我們的肌肉似得。XOS共有30個制動器來控制不同關節。

XOS的工作原理示意圖。圖片來源：popsci.com

另外那邊，米倫紐姆噴氣機有限公司（後改名為Trek Aerospace）也分得了510萬美金，用以研製單人垂直起降的飛行外骨骼「SoloTrek XFV」，並於2005年研製成功。SoloTrek XFV通過汽油驅動兩側的管道風扇，以100 km/h的速度持續飛行2個小時。在電腦模擬的情況下，飛行高度可達到8000英尺（約2400米）的飛行高度——這也算是彌補了HULC和XOS 2 不能飛的遺憾吧。

靠兩側的管道風扇驅動飛行的SoloTrek XFV。圖片來源：nasa.gov

後起之秀

在此之後，美國又成立了兩項新的機械外骨骼項目，但樣機還在研發過程中，沒有對外開放。

其中，美國特種作戰司令部（U.S. Special Operations Command ，簡稱SOCOM） 在2013年向外界透露，他們正在研究一個名為「Tactical Assault Light Operator Suit」（TALOS） 的項目。按照計劃，TALOS全部由防彈材料製成，該裝備能降低光線和噪音的幹擾，增強士兵的身體機能，具有環境感知能力，此外還可以顯示戰場信息，裝備內還安裝有溫度管理以及醫療監視設備等。現在，TALOS已經吸引了56家企業，16個政府部門，13所大學和10家國家實驗室參與競標，並準備於2018年推出第一套樣品。

2012年的芝加哥車展上，軍方在向人們展示2032年的士兵應該是什麼樣子。圖片來源：defensemedianetwork.com

另一個項目是2011年DARPA（對，又是他們）提出的「The Warrior Web」 項目。該項目希望能研製出一套材質柔軟輕便的裝甲，用來降低負重的士兵在長途奔襲中關節和肌肉受傷的機率。整個項目分為兩個階段，第一個階段是從2011年9月到2013年第三季度，現已完成。內容主要是對單項技術進行獨立的研究，比如關節部位的支撐、肌骨骼勞損的減緩、士兵行動和負重的動力建模等。最後由哈佛大學、史丹福大學以及波士頓動力公司等機構競標成功。

第二階段是從2014年第一季度到2016年第三季度，主要是第一階段中各項技術的融合，並製作出第一代樣品。其中研製出HULC的Ekso Bionics公司得到了波士頓動力公司的分合同，成功進入第二階段的研究。

材質柔軟輕便，主要用來減輕長途跋涉時腿部關節負擔的The Warrior Web。圖片來源：army.mil

無論是正在研製的TALOS和The Warrior Web，還是已經有樣品的HULC和XOS 2，目的都是應用在軍事領域，目前還都沒有量產及推廣，大多只停留在實驗室或者小規模的測試階段。但在其他領域，機械外骨骼已經取得了很好發展，並成功得到了商業上的推廣。

鋼鐵俠做不到的，我們也可以：醫療領域的機械外骨骼

在醫療領域處於領先地位的有兩個產品，一是日本筑波大學和Cyberdyne公司於1995年聯合研製的混合輔助性肢體（Hybrid Assistive Limb，簡稱HAL）。2013年，HAL的第五代產品HAL 5也已上市，同年2月獲得了國際安全認證，是第一家獲得該認證的機械外骨骼。同年8月，HAL 5獲得歐盟認證，允許其在歐盟境內進行醫學治療。

HAL 5。圖片來源：businessinsider.com

比起使用力學傳感器來接收穿戴者運動信息的XOS， HAL採用的方法是收集穿戴者神經信號。當穿戴者試圖移動身體時，神經信號會通過運動神經元從大腦傳輸到肌肉，從而帶動穿戴者的肌肉骨骼系統。此時，皮膚表面會發出微弱的生物信號，所以穿戴HAL時，使用者需要將傳感器附著在皮膚上。基於這些收集到的生物信號，再經過相應的處理後，HAL的動力系統會去驅動相應的裝甲關節，輔助和增強穿戴者的移動。

HAL主要功能是輔助殘疾人和老人的日常生活以及病人的長期復健，也可協助體力工作者的日常勞作，比如護士移動病人以及建築工人搬磚等。截至到2012年10月， 日本已經有300多套HAL應用於130家醫療機構或養老院。2014年，日本的建築承包商株式會社大林組（Obayashi Corporation）也將其引進到了建築領域（用來搬磚）。

另一家成功的醫療外骨骼公司是Ekso Bionics，他們將HULC委託給洛克希德·馬丁公司進行軍事領域的推廣後，又於2010年又推出了新的裝備Ekso（原名eLEGS）進軍醫療領域。該產品的目標是幫助截癱者和其他活動不便者站立和行走。Ekso重20千克，由液壓驅動，最高速度能達到3.2 km/h，電池可持續6個小時。

幫助截癱者和其他活動不便者站立和行走的Ekso（原名eLEGS）。圖片來源：inquisitr.com

眼光再遠一點：其他領域的機械外骨骼呢？

2014年，洛克希德·馬丁公司又在HULC的基礎上推出了FORTIS，幫助操作者攜帶重型工具，並以站立或跪立的姿勢來操作工具，最高可毫無重量感的裝配16.3千克的工具，並提高2~27倍的工作效率。2014年，美國海軍宣布採購2臺FORTIS進行測試和評估——這也是其第一次工業應用。

洛克希德·馬丁公司2014年推出的FORTIS。圖片來源：military.china.com

NASA在2012年的時候也宣布，他們正在和佛羅裡達人與機器認知研究所（Florida Institute for Human and Machine Cognition）進行機械外骨骼研究，取名為The X1 Mina。The X1 Mina是兩用的機械外骨骼，一方面可協助太空人進行長距離太空任務，另一方面也可以在地球上幫助下肢癱瘓者行走。目前，樣品已在宇宙空間站進行測試了。

The X1 Mina。圖片來源：nasa.gov

如果普通消費者想體驗一下機械外骨骼，可以嘗試一下法國RB3D公司開發的HERCULE。2013年推出的HERCULE V3是針對民用領域設計的，專注於力量輔助、負責搬運重物和操控工具。HERCULE V3也可被當作是一個移動平臺，根據工業需求來搭配各種機械上肢。

HERCULE V3。圖片來源：rb3d.com

小聲說，其實我覺得有點像這個。圖片來源：plurk.com

最後再贈送一個逗比版的機械外骨骼吧，網絡俗稱「為保護妹子而生的機械外骨骼」。這款機械外骨骼是由日本佐川電子株式會社（Sagawa Electronics）研製的，正式名字是Powered Jacket MK3，高約2.25米，重約25千克。重點是限量只有5臺，售價約合76萬人民幣。（編輯：球藻怪）

妹子守護者，Powered Jacket MK3。圖片來源：gizmag.com

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