如何打造一件钢铁战衣(2)

美国士兵经常负载过重的战斗载荷，这就增加了对身体的压力，容易导致精疲力竭。HULC可以把这种重量通过电池驱动的钛金属肢体转移到地面上。先进的便携式微型计算机可以使得这种外骨骼与士兵们的运动保持协调一致。HULC的这种完全非捆绑式、液压驱动的人形外骨骼使得士兵们的行动坐卧毫不费力。

此外，洛马公司还研制了FORTIS膝减压装置，这是一个刚性支撑架，不需要电力，甚至可以帮助工厂和船厂工人搬运笨重的工具，减少其疲劳感。穿戴者可以自由活动，只需经过15分钟的培训就可以掌握使用技巧，有的甚至不用培训直接就能使用。在测试中，穿戴者负重可达84千克，完成蹲起次数平均超过50次。前海军项目承包商、洛马公司产品经理基思·麦斯威尔说：“它真的可以推你上楼梯，让你爬得更快，感觉不那么累。”麦斯威尔称，在15度的斜坡上，该装置也能降低人类的能量消耗，“净代谢成本”只有约9%。

法国的“大力神”也是一种先进的可穿戴式外骨骼系统。该系统由法国武器装备总署制定，法国多家公司目前正在研制这种能够帮助穿戴者运送较重载荷的外骨骼。“大力神”外骨骼主要由机械腿（结合机械装置、计算机和电子装置）和背部支撑架组成，使穿戴者能够轻松背负重物。该外骨骼不久后还将配装机械臂，以使穿戴者能够搬运重物。

“大力神”外骨骼的独特之处在于不采用无线电控制，能够自动探测到肢体运动，随后根据执行意图代替穿戴者执行这一动作。“大力神”外骨骼还具备出色的性能和密实度。它可携带100千克重物，其电池可使穿戴者以4千米/小时的速度行进大约20千米。其应用范围十分广泛，包括帮助消防队员、特种部队和步兵将重物运送至目的地、在医疗领域为残疾患者提供帮助、在建筑和后勤领域用于运送重物等。

俄罗斯的单兵外骨骼装备研发也不甘于人后。最新装备名为“21-战士”，重量为22千克。目前，俄军士兵配备的单兵装备为36千克，极大超过士兵身体负重标准。第二代俄军装备将整合攻击、防御、操控、生存和能源补给等功能。“21-战士”项目预计花费3500万美元，而美国的同类项目将投入15亿美元。此外，由莫斯科国立大学研究的旨在减轻军人体力负荷的机械结构外部骨骼近期在俄罗斯国防部的评估中获得了好评。目前，俄罗斯的外骨骼主要还是加强了腿部及腰部等负荷能力，双手的灵活性得到了保留并配置了防弹罩。从最终效果图看，两臂力量的加强是今后研制的重点。

③法国“大力神”可穿戴式外骨骼3D效果图

④俄军单兵外骨骼服曝光，可在身上安装防弹盾牌

研制难点及未来发展趋势

电影中的钢铁侠战衣被评论为“机械设计水平变态、材料变态、控制系统变态、能量更是变态”。这几个方面，恰恰也是外骨骼系统研制面临的主要难点。

首先是制作材料。早期的外骨骼是用钢和铝金属制作的，但系统自重过大，使外骨骼的动力在驱动人体之外还要克服自重。因此现在的研制者都在想办法降低自重，多使用复合材料、钛合金等轻质材料以使能量效率更高。

其次是动作装置。正是这一部分让士兵获得更大力量。以前，液压动力筒因其动力输出较大、动作执行准确获得青睐，但缺点是重量过大，而且液压装置有可能泄漏。现在“动作装置”研发的重点转向小型或微型的永磁伺服马达。这种伺服马达能够组装成微小的组件来实现大力矩和高响应度的运动。

第三是关节的灵活度。这涉及到外骨骼能否完成更多的战术动作，例如匍匐、跳跃等。这些动作对于人体关节来说轻而易举，但对于模仿人体关节的外骨骼来说，难度就较大了。尤其是人体肩关节、胯关节、脊柱等部位，都是外骨骼模仿的难点。目前主流的外骨骼都是沿着人体的肩部、胯部和膝盖，设置外部球形接头，然后通过平行的连接杆实现连接。但在运动时，这些外部的人造关节和连接杆往往与人体的贴合度发生错位。这样的外骨骼系统虽然不干扰步行，但对使用者的弯腰仍有较大影响。

第四是控制系统。良好的外骨骼系统应该有一套精密的计算机人工智能控制系统，以控制外骨骼对人体的动作进行响应。如果响应速度过慢，动作效率低；响应速度过快，则有可能给使用者带来伤害。由于人体不同关节动作速度有快有慢，因此外骨骼控制系统也必须能协调速度，让使用者感到外骨骼是一种助力而不是阻力。先进的控制系统能够发现并阻止使用者的错误动作，例如摔倒，这对于本身行动不便的伤残人士很重要。

文章来源：《钢铁》 网址: http://www.gtbjb.cn/qikandaodu/2021/0416/905.html