外骨骼新方向：“勇士织衣”软式动力装置取得重大进展

佟鑫

现今，已有多种外骨骼动力系统问世，这些外骨骼系统受自然界生物的影响，均为硬式外壳，不过，因种种缺陷，外骨骼系统尚未真正进入实用阶段。而美国国防高级研究计划局（Defense Advance Research Projects Agency ，DARPA）认为，外骨骼系统并不只有硬式外壳这一种方向，因此便启动了名为“勇士织衣”（Warrior Web）的软式动力装置计划。该计划在2016年已经取得了重大进展，并可能改变未来十年的士兵样貌——

“勇士织衣”软式动力装置在近期取得了重大进展，很可能改变10年后的士兵样貌

外骨骼系统研究历程

及近年成果

在自然界中，外骨骼基本上是由甲壳素所组成，例如昆虫、节肢动物的骨骼等，而动力来源则是附着于外骨骼内部的肌肉。外骨骼可对生物本身形成支撑性，同时又因生长于外部，可发挥保护生物以及防止水分散失的双重作用，因此传统的硬式外骨骼便成为工程界最早的模仿对象。

历史上，第一个提出动力外骨骼的设想，是俄国发明家尼古拉斯·杨在1890年所提出的，并于1889年申请专利，该系统以压缩气体背包驱动腿部的外骨骼。而美国发明家莱斯利·凯利则于1919年提出以蒸汽驱动钢丝的软式动力装置。尽管他们的发明并未实用化，但其提出的以机械能来辅助肌肉动力的概念影响着后人。

动力外骨骼的概念最早在1890年由俄国发明家尼古拉斯·杨提出，并申请了专利。该系统以压缩气体背包驱动腿部

世界公认的第一套动力外骨骼系统，则是1965年通用电力公司所开发的Hardiman，这套动力外骨骼系统可以轻松举起110kg的物体。尽管取得了初步的成功，但Hardiman本身却重达680kg，简直是个庞然大物，因此，Hardiman的设计存在很大缺陷。在此之后，外骨骼系统的发展却如雨后春笋，不论是工程界、军方、医疗甚至是科幻作品中，都可以见到外骨骼系统发展及研究性应用的身影。

美国国防部从1960年开始便对动力外骨骼系统产生浓厚的兴趣，国防高级研究计划局则提出了增强人体外骨骼计划，在该计划之下进行了大量研究。本文在此主要展示近几年的典型研究成果。

近7年来，美国共有几项令人瞩目的动力外骨骼系统问世，分别是雷神公司的XOS-2、洛克希德·马丁公司的HULC以及特战司令部与国防高级研究计划局合作的TALOS。

1919年美国发明家莱斯利·凯利提出了以钢丝牵动腿部的概念，在概念上与“勇士织衣”系统相仿

雷神公司在2010年所推出的XOS-2外骨骼系统，能使使用者单手举起90.7kg的哑铃数百次而不感到疲累，甚至能一拳击破数片松木板，同时也能自然地随着人体做出拳、伏地挺身、下拉等动作，且反应十分敏捷。尽管在整体外观上看起来像是当年Hardiman的缩小版，但其敏捷性已经有长足进步。

不过，XOS-2外骨骼系统在每个关节点上都必须设置电动机，能耗较大，必须由外部电源供电，且本身质量高达95kg。因此，XOS-2外骨骼系统只能用于工程或补给，例如为战机挂载导弹，或抢险救援中搬起重物等。

全世界第一具动力外骨骼是通用电力公司在1965年开发的Hardiman，尽管取得了初步的成功，但它的缺陷也很明显，其重达680kg。图为Hardiman构想图和模型

而洛克希德·马丁公司与柏克莱生化机械公司在2009年合作推出的人体通用携带器（Human Universal Load Carrier，HULC）则是结构上更为简单的外骨骼系统，其去掉了上肢的动力输出，将动力输出全部放在腿部。HULC可以承载重达90.7kg的物体，并能在不妨碍使用者上半身动作的情况下，做出各式各样的战术动作，包括匍匐前进和跪姿射击等。

雷神公司在2010年推出的XOS-2动力外骨骼能够让使用者轻易地取起重物，甚至灵活地配合使用者的动作，但其高耗电的特性却使得它无法进入实用

尽管美国陆军对HULC进行了大量测试，但最终仍未将HULC投入实战测评或小批量采用。据分析，主要问题是HULC的供电无法解决，尽管其电池续航能力可高达72小时，但仅能保证在水平地形上以4km/h的速度行走20km;若以16km/h的速度冲刺或爬坡则会进一步减少续航能力，若要行走更长的距离则需要携带额外的电池。

特战司令部与国防高级研究计划局合作的战术突击轻型作战服计划（Tactical Assault Light Operator Suit Project，TALOS）在穿戴时能智能分配重量，可减轻负重对身体的影响。另外，对TALOS的进一步要求是，希望其将现有防弹部分提供的18%防护面积提升到60%，对士兵的防护效能提升到全新的层次，正如古代的重甲骑士一般，持有常规兵器的敌人将难以对它造成伤害;同时要求TALOS整合先进夜视镜、身体状态感测器等，使其成为更先进的步兵装甲。对其重量要求必须在180kg以下，续航能力必须在耗能12KW的情况下续行12小时。美国国防部希望能在2018年投入量产。

但TALOS的技术难度极高，仅是重量就难以达标，且耗能问题也难以解决，因此2018年投产几乎是不可能的，而据陆军最新的估评，TALOS可能要等到2026年左右才能投产。不过，TALOS的概念确实已经成为未来士兵动力外骨骼的高端标杆，也就是希望使士兵成为钢铁人。

不过，大批量的装备除了要符合战术需求外，亦要符合成本需求。目前，上述3种动力外骨骼系统尽管都有自身的优势，但却因为技术的限制而现阶段难以被实际应用。即便防护如TALOS般优秀、承载力如HULC般强大、力量如XOS-2般强壮，但却只有数小时的续航能力。倘若战斗时间超过续航时间，那这些强大的外骨骼将毫无用武之地，并且会成为士兵的累赘。

士兵穿着XOS-2上战场，这套外骨骼更适合用来进行后勤任务，例如为战机挂载导弹，只要一人就可以完成

洛克希德·马丁公司推出的HULC外骨骼功能较为简单，其去掉了上肢的动力输出，将动力输出全部放在腿部，能够帮助士兵背负高达90.7kg的重量，但续航能力仍是其瓶颈。美国陆军现仅用以测试而无实际配发计划

“勇士织衣”：

软式动力装置

“勇士织衣”（Warrior Web）是一款软式动力装置，其不同于传统的硬式外骨骼系统，是在外骨骼系统方面又一次概念性的突破。

据美国陆军研究实验室的人体研究工程局主任拉凡卓表示，“勇士织衣”计划从2011年开始与国防高级研究计划局合作至今，而国防高级研究计划局还与陆军研究实验室、陆军纳蒂克士兵研究开发工程中心进行合作。各部门在研究方面各有重点，国防高级研究计划局着重在验证前瞻性的概念，陆军研究实验室则深入研究以指出需要改正的地方，而纳蒂克士兵研究开发工程中心则着重于装备开发层面。

在这5年来的设计与测试中，至少对15套“勇士织衣”进行过实验室与室外测试，并于3年前开始成功降低人体的体能消耗，而于2016年4月则取得了减少10%体能消耗的重大成果，同时减少了肌骨伤害。拉凡卓指出，目前有95%以上的外骨骼系统会造成使用者较大的体能消耗，这并不代表外骨骼系统没有提升使用者的力量或协助负重，而是穿着时感觉像行走于水中一般，感受到外骨骼的巨大阻力，但是“勇士织衣”系统已经证实能在不阻碍使用者活动的情况下，进一步减少使用者的体能消耗。

国防高级研究计划局为“勇士织衣”计划制定的目标为进一步减少25%的体能消耗、全重在6kg（含）以下，耗电在100W（含）以下，同时具备有快拆扣环，并预期在2017年夏季推出具备此功能的“最高版本”。

按照此目标，倘若耗电量果真达到100W以下，一颗18650锂电池的最大容量是12.95wh（瓦小时），因此只需要约8颗（共重0.4kg）锂电池便可以使“勇士织衣”系统使用长达1小时，续航能力为TALOS的10倍，同时全重6kg也是最佳效益点，如果超出这个数字，系统本身会开始占用使用者可以携带的物资总重。

“勇士织衣”实际上就是一套降低疲劳的动力装置，听起来不怎么强大，但却是最贴近现实的一种科技成果。

有别于硬式动力外骨骼的设计，“勇士织衣”软式动力装置的构造主要包括动力背包，以及缠绕于骨盆、大腿并延伸至小腿的固定束带，而位于足部的最末端则有绑带和传感器，这一系列的部件都由一条从足部连接至动力背包的钢缆串连，由电脑判断使用者的动作以缩放钢缆，并降低肌骨的疲劳度和体能损耗。

相较于需要在各关节放置电动机的XOS-2、HULC或者是TALOS，“勇士织衣”系统的活动部位重量不仅极度轻量化，甚至还省去了最具象征性且重量最大的外骨骼构架，因为“勇士织衣”本身就给人体提供辅助力量，而不是由外骨骼承担其重量。

“勇士织衣”系统设计简单，可见到蓝色的钢缆由动力背包驱动，并在小腿部分形成活动区域，而红色部分则是固定束带，除了将钢丝的位置固定外，也能将力量平均分散至下半身，减少体能消耗

软硬动力系统并行发展

未来，人体动力装置将会呈现硬式外骨骼系统与软式动力装置并行发展的趋势。

硬式外骨骼系统如TALOS，其可以外挂大量护甲，并提供全方位的力量输出，这些优势在短兵相接的城镇战中特别有利，但TALOS明显在续航力以及成本上趋于劣势。

软式动力装置如“勇士织衣”，其功能偏向提升士兵负重和减少疲劳，而且功能简单的设计也能有效控制成本，因此适合广泛配发给士兵，特别是有长距离徒步需求的单位。

美国陆军参谋长马克·米莱上将认为，硬式外骨骼/软式动力装置极具潜力，尽管现在尚难投入实用，但他预测在未来10年内，一旦关键技术被攻克，将非常有可能投入战场。

编辑/郑双雁