如何打造一件钢铁战衣

看过好莱坞电影《钢铁侠》的观众一定对钢铁侠的金属动力服印象深刻。钢铁侠战衣的动力核心是胸口的钯核心微电弧反应堆。这种反应堆不但能够驱动动力服在地面行动，而且可以驱动钢铁侠脚底下的离子发动机让其上天入海，甚至在手中凝聚成离子炮进行攻击。按照电影中的情节估算，钢铁侠动力服的反应堆每秒能产生大约30亿焦耳的能量，堪称发动机中的神器。在现实世界中，与之类似的单兵外骨骼技术已经在21世纪初取得了关键性突破，其实际应用前景也已受到多方的关注。

外骨骼是什么

外骨骼，全称动力外骨骼或动力服，由骨骼模样的框架组成，是可以让人穿上的机器。这个装备通过外置发动机、电池或者液压系统为人体提供额外能量供四肢运动，以增强穿戴者的力量和耐久力。

最早的外骨骼可以追溯到19世纪末。1890年，一位名为尼古拉斯·亚根的俄罗斯人发明了一种用压缩空气包作为动力的类外骨骼系统。1917年，美国发明家则开发了一种以蒸汽为动力的外骨骼。

但真正意义上的外骨骼动力服是1960年通用电气公司与美国军队共同开发的，当时命名为“哈迪曼”。通过液压和电机驱动结构，配合力觉反馈感应系统，穿戴者穿着这套装备举起150千克的物体就像举起6千克的物体一样轻松。这一切看似完美，但整机重达680千克的装备根本无法让穿戴者自如行走，而且系统反应速度极慢，穿上它每秒只能走76厘米，只有平常人正常步速的一半，最终被改装成机械臂。

在经历了20世纪60年代的笨重之后，外骨骼在1986年后进入快速发展阶段。当时，一位名叫蒙蒂·里德的美国人设计了一种叫“生命服”的外骨骼系统。蒙蒂曾是美国陆军游骑兵特种部队的士兵，但他在跳伞训练中背部受伤。蒙蒂在医院恢复过程中，从著名的科幻小说《星河战队》中“机动士兵动力服”的概念获得灵感，随后开发出了这一系统。2001年，“生命服”1号诞生。2005年，“生命服”12号创造了外骨骼步行的世界纪录—90分钟走完5.4千米，和正常人步行速度基本一致。现在，“生命服”已经发展到14号，一次充电能够走1.6千米、搬运92千克物品。

目前，世界上各种生产或正在研制的外骨骼型号有15个以上。除了美国以外，日本、韩国、欧洲也有很多企业和大学投入到外骨骼系统的研制。尤其是人口老龄化和低生育率问题异常严重的日本，对外骨骼技术有着异乎寻常的兴趣。日本佐川电子在2013年7月曾推出世界上第一台商用化外骨骼动力服，价格约合90万人民币，全球限量5台。

单兵外骨骼系统

世界各国的超级钢铁侠外衣

②日本研制的民用外骨骼装备

①“哈迪曼”机械臂

一般的单兵外骨骼系统包含六大部件：仿形机械结构装置、智能感应装置、控制系统、通信计算系统、执行机构和能源系统。工作原理一般是：系统通过在人体和外骨骼上的传感器感应人的运动信息、力学信息和生理信息。计算机负责处理各类信息，并通过预测和感知算法感知人体姿态、运动趋势和人与外骨骼之间的耦合度，控制系统将这些参数转换为控制参数，令能源系统驱动执行机构动作，实现辅助作用。

世界各国研发单兵外骨骼系统的根本目的就是提升单兵的战斗力。一是增强打击能力。士兵能携带更多、火力更大的武器装备，可以大幅提高单兵打击能力。由于大部分人能够拿起和携带的重量有限，过重的单兵装备会把士兵压垮，因此，借助外骨骼系统，士兵可以携带更多的装备和给养，进而提高士兵的战斗力。二是提高防护能力。由于外骨骼系统的承载能力远超人体，可以在其上加装适合单兵的复合材料装甲，将单兵防护提高到一个新的水平。三是提高机动能力。普通人走路的时速为6～10千米，但是士兵通常要携带很重的军需品，很难快速行进。外骨骼系统前后皆可负重，且可以提高士兵在水平地面的行进速度并持续最大速度，这将大大提高单兵的机动能力。四是提高战场感知能力。外骨骼系统可以加装传感器系统，以加强士兵的战场态势感知能力；还可以加装卫星通信和定位装置，让每个士兵都成为一个网络通信节点，指挥部可以清楚知道每个士兵目前所在的位置。

美国的“人体负重外骨骼”（HULC）是典型的单兵外骨骼系统。该项目由洛克希德·马丁公司（以下称洛马公司）研制，它是一种模仿人体结构特点设计的外骨骼装置，采用电池供电和液压驱动，利用单一电池充电器便能够使穿戴者背负约91千克的重物在全地形条件下步行20千米。穿戴人体负重外骨骼后，士兵能够完成爬行、深蹲、行走和上半身提举重物等一系列动作。人体负重外骨骼配有先进的微型计算机，以便与士兵的动作保持一致。人体负重外骨骼既可提高士兵的持久作战能力，又可降低士兵受伤的风险。

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