現實版鋼鐵俠戰衣:中國單兵外骨骼系統首次曝光

電影屏幕上，穿著外骨骼的士兵威風凜凜。

　　美國洛馬公司研製的「HULC」外骨骼系統與中國202所的外骨骼系統外形有相似之處。

中國單兵外骨骼系統

　　近日，首屆中國軍民融合技術裝備博覽會開幕了，可能很多軍事愛好者認為在這種軍民融合的展覽上，不會有像珠海航展、北京國防電子展等專業防務展上出現的「猛料」，但這次令人意想不到的是，中國國產單兵外骨骼卻首次正式曝光。

　　這種單兵裝備有多神奇？中國單兵外骨骼和國外相比，處在什麼樣的水平？本文將結合公開材料，力爭給您令人滿意的答案。

　　從頭講起

　　「單兵外骨骼」是什麼

　　外骨骼(全稱動力外骨骼或動力服)由骨骼模樣的框架組成，是可以讓人穿上的機器。這個裝備通過外置發動機、電池或者液壓系統為人體提供額外能量供四肢運動，以增強穿戴者的力量和耐久力。

　　外骨骼一開始就與軍事用途有著緊密聯繫。軍方研製外骨骼不但希望能增加士兵在艱苦地形和戰場的持續作戰能力，而且還希望外骨骼能夠有更大的負重能力，帶動士兵的外部防護裝甲。因此軍用單兵外骨骼的發展重點是具有防護性能的動力裝甲。大家熟知的「鋼鐵俠」，實際上就是軍事專家夢寐以求的動力裝甲。當然現在的技術距此還有相當遙遠的距離。

　　除軍事用途外，外骨骼還應用於醫療方面，主要是幫助一些傷殘人士獲得行動能力，也被稱為步行復原機器人。實際上醫學上的用途也和軍事用途有著密切聯繫，因為軍隊作戰會導致大量傷殘發生，一個有效的外骨骼系統對於恢復部隊的士氣，緩解對社會的壓力都有重大作用。

　　最早外骨骼

　　輕鬆舉起150公斤

　　但自重達680公斤

　　最早的外骨骼可以追溯到1890年。當時一位叫尼古拉斯·亞根的俄羅斯人發明了一種用壓縮空氣包為動力的類外骨骼系統。1917年，美國發明家則開發了一種以蒸汽為動力的外骨骼。

　　但真正意義上的外骨骼動力服在1960年由通用電氣公司與美國軍隊開發，當時命名為Hardiman。穿著這套裝備舉起150公斤的物體就像舉起6公斤的物體一樣輕鬆。不過這套服裝不實用，因為它本身的重量就有680公斤，而且系統反應速度極慢，穿上它每秒只能走76釐米，只有平常人正常步速的一半。

　　快速發展期

　　受傷美國特種兵

　　研發出「生命服」

　　在經歷了上世紀60年代的笨重之後，外骨骼在1986年後進入快速發展階段。當時一位名叫蒙蒂·裡德的美國人設計了一種叫「生命服」的外骨骼系統。蒙蒂曾是美國陸軍遊騎兵特種部隊的士兵，但他在跳傘訓練中背部受傷。

　　蒙蒂在醫院恢復過程中，從著名的科幻小說《星河戰隊》中的「機動士兵動力服」概念獲得啟發，開發出了這一系統，並向軍方做了匯報。2001年「生命服」1號誕生。2005年，「生命服」12號創造了外骨骼步行的世界紀錄：90分鐘走完5.4公裡，和正常人步行速度基本一致。現在，「生命服」已經發展到14號，一次充電能夠走1英裡、搬運92公斤物品。

　　目前，世界上各種生產或在研的外骨骼型號就有15個以上。除了美國以外，日本、歐洲也有很多企業和大學投入到外骨骼系統的研製。尤其是人口老齡化和低生育率問題異常嚴重的日本，對外骨骼技術有著異乎尋常的興趣。日本佐川電子在2013年7月曾推出世界第一臺商用化外骨骼動力服，價格約90萬人民幣，全球限量5臺。

　　最完美單兵外骨骼

　　——鋼鐵俠戰衣

　　著名的電影《鋼鐵俠》中的天才發明家託尼·史塔克創造並使用了一套動力服，其匪夷所思的特性使其成為了最理想的單兵外骨骼。

　　鋼鐵俠的動力服主要由鈦金屬等合金為主要成分，形成一個有韌性但又極度堅實且能提供極高防禦作用的外殼，因此這是一個具有強大防護性能的動力裝甲。鋼鐵俠動力服最神奇的地方在於其動力推進系統。根據資深動漫迷的分析，鋼鐵俠戰衣的動力核心在於胸口的鈀核心微電弧反應堆。這種反應堆不但能夠驅動動力服在地面行動，而且可以驅動鋼鐵俠腳底下的離子發動機讓史塔克上天入海，甚至在手中凝聚成離子炮來攻擊。

　　按照電影中的情節估算，鋼鐵俠動力服的反應堆每秒能產生大約30億焦耳的能量，堪稱發動機中的神器。更神奇的是，鋼鐵俠的動力系統還能與金屬戰衣互相作用，在戰衣表面形成一種力場，實現盔甲的充能、防護和自我修復。此外，鋼鐵俠戰衣中還有一套人工智慧系統——「賈維斯」，輔助鋼鐵俠的戰鬥。用網友的話來說，就是「鋼鐵俠的戰衣機械設計水平變態、材料變態、控制系統變態、能量更是極其變態」。

　　中國單兵外骨骼有多先進

　　能舉起50公斤重物 地面匍匐

　　這次在博覽會上出現的由兵器集團202所研製的國產單兵外骨骼，被認為是這種系統國內的首次正式曝光。不過在2013年8月的一份《解放軍報》中，報導了南京軍區南京總醫院博士後工作站也在研究一種單兵外骨骼系統，並且還發布了照片。鑑於202所外骨骼項目的立項是在2013年4月，因此估計國內這種新興項目的研製時間在2012年至2013年左右。

　　從照片的對比來看，202所依託兵器集團研發實力，其外骨骼在系統完成度上明顯要略勝一籌。南京軍區研製的外骨骼系統，試驗的色彩非常濃厚，一些部件導線外露、外掛情況很多。而202所研製的外骨骼系統完成度較高，已經基本超越了原理樣機和工程樣機的階段。202所的外骨骼系統能夠做出一些諸如地面匍匐等較為複雜的動作，在安裝上前向搬運輔助裝置後，還能舉起50公斤重物。

　　202所研製的外骨骼公開技術指標：

　　額定背負

　　負荷35公斤

　　額定搬運

　　負荷50公斤

　　額定背負負荷35公斤情況下，

　　平地步速4.5公裡/小時、

　　平地行走續航裡程20公裡

　　點評：以上指標和國外相比還是可圈可點的。以典型的美國洛馬公司研製的「HULC」外骨骼為例，「HULC」非常強調搬運負荷。美軍的理想目標是負重90公斤情況下，步行速度最快達到每小時18公裡，但目前無法達到。現在美軍實驗室中測試的數據是，負重90公斤情況下，以每小時4.8公裡的速度行進20公裡。從這一數據判斷，中國研製的外骨骼和國外仍存在一定差距。

　　但有意思的是，國外軍方研製的外骨骼，經常披露搬運負荷的指標，但對於步行指標諱莫如深。像中國研製單位這樣比較詳細地公布各項指標的，是非常少見的。這也能看出中國軍工人的自信。因此總體看，中國單兵外骨骼與外國研製的裝備有一定差距，但也有自己的特色和優勢。

　　外骨骼研製難點在哪？

　　鋼鐵俠戰衣被評論為「機械設計水平變態、材料變態、控制系統變態、能量更是變態」。而這幾個方面，恰恰也是外骨骼系統研製的主要難點。

　　1 首先看材料 早期的外骨骼是用鋼和鋁金屬製作的，但造成系統自重過大，使外骨骼的動力在驅動人體之外還要克服自重。因此現在的研製都在降低自重，多使用複合材料、鈦合金等輕質材料來讓能量效率更高。

　　2 其次是動作裝置 正是這一部分讓士兵獲得更大力量。以前，液壓動力筒因其動力輸出較大、動作執行準確獲青睞，但其缺點是重量過大，而且液壓裝置有可能洩漏。現在「動作裝置」研發的重點轉向小型或微型的永磁伺服馬達。這種伺服馬達能夠組裝成微小的組件來實現大力矩和高響應度的運動。

　　3 第三是關節的靈活度 這涉及到外骨骼能夠完成更多的戰術動作，例如匍匐、跳躍等。這些動作對於人體關節來說輕而易舉，但對於模仿人體關節的外骨骼來說就難度較大了。尤其是人體肩關節、胯關節、脊柱等部位，都是外骨骼模仿的難點。目前主流的外骨骼都是沿著人體的肩部、胯部和膝蓋，設置外部球形接頭，然後通過平行的連接杆實現連接。但在運動時，這些外部的人造關節和連接杆往往與人體的貼合度發生錯位。現有的外骨骼系統雖然不幹擾步行，但對使用者的彎腰仍有較大影響。

　　4 第四是控制系統 良好的外骨骼系統應該有一套精密的計算機人工智慧控制系統，來控制外骨骼對人體的動作進行響應。如果響應速度過慢，動作效率低；而響應速度過快，則有可能給使用者帶來傷害。由於人體不同關節動作速度有快有慢，因此外骨骼控制系統也必須能協調速度，讓使用者感到外骨骼是一種助力而不是阻力。而且先進的控制系統能夠發現並阻止使用者的錯誤動作，例如摔倒，這對於本身行動不便的傷殘人士很重要。

　　5 最後是電源動力 像鋼鐵俠那樣擁有無所不能的反應堆，僅是電影中的幻想，現有動力輸出較強的內燃機由於噪音、隔熱等問題無法應用。因此，現在主流外骨骼系統均使用電池來驅動電動機。高容量的燃料電池是目前研究的重點，但也只能勉強滿足需要。有些專家則設想，未來可以對外骨骼使用無線電能傳輸。

　　外骨骼發展走向何方？

　　動力外骨骼系統作為單兵裝備領域的新發展點，得到了軍事大國的普遍重視。雖然軍方不能期待單兵外骨骼能讓士兵成為鋼鐵俠，但一個「士兵背負上百公斤裝備、在高原山間健步如飛」的場景有著十足的吸引力。

　　從21世紀十餘年來外骨骼裝備的發展看，實現這一目標有著不小的難度。以美軍為例，在研製出幾種單兵外骨骼系統後，還沒有一種在戰場上投入測試。因此，就目前技術發展看，單兵外骨骼系統很可能優先應用在非戰鬥領域，例如後勤運輸、場站維護、裝備修理等需要士兵進行大體力搬運的場合，來緩解士兵們的工作強度。

　　另外，現有外骨骼雖然適用不了激烈的戰場，但在軍民融合的醫療領域仍有巨大價值。對於受傷士兵，外骨骼系統可有效幫助他們恢復行動能力乃至工作能力。鄭文浩 製圖吳薇H114