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别找了你想知道的外骨骼——“勇士织衣”软式

2020-01-15 16:35所属:糖果派对


  

  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——

  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,同时又因生长于外部,可发挥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,第一个动力外骨骼的设想,是发明家尼古拉斯·杨在1890年提出的,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的外骨骼

  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。

  世界的第一套动力外骨骼系统,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。

  美国从1960年开始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。

  近10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。

  雷神公司在2010年推出的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。

  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举起重物,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。

  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。

  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

  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。

  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。

  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的供电无决,尽管其电池续航能力可高达72小时,但仅能在水平地形上以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;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。美国原本希望能在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,而据美国陆军最新的估评,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。

  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。

  “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。

  “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,除了将钢丝的固定外,也能将力量平均分散至下半身,减少体能消耗。

  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。

  在几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2014年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,同时减少了肌骨。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。

  2016年4月的实测显示,“勇士织衣”系统可将使用者的体能消耗降低10%,而国防高级研究计划为该系统制定的目标为体能消耗降低25%、重量6kg以下、耗能100W以下。

  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。

  按照此目标,倘若耗电量果线wh(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。

  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,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巨大的外骨骼构架,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。

  相较于硬式外骨骼,“勇士织衣”系统的成本、重量、耗电量较低,同时结构也更为简单,利于广泛配发。

  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。


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