作者:红枫 来源:中国科学报 发布时间:2015/10/26 9:12:38
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打造钢铁侠 聚焦美军人体负重外骨骼研究

美军研发的由电池驱动的人体负重外骨骼(HULC)旨在像机器人那样帮助士兵,然而这项研究却和很多其他类似项目一样失败了。现在,新研究采用了比以前更柔软的织物和电线进行设计。图片来源:LOCKHEED

一个孤独的士兵站在一条黑暗的小巷中。即便穿着笨重的盔甲,他依然在快速前进,枪林弹雨中,他没有后退,也没有倒下,而是像原来那样站立着,毫发无伤。

这不是最新超级英雄电影中的一幕,而是由美国陆军制作的一个动画片,其目的是展示他们希望给精英突击队配置的一种强大的机械骨骼。

这个装备的名字是战术攻击光控套装(TALOS),这是一项投资数百万美元的研究项目的终极目的,该项目是因为一名突击队员在阿富汗拯救人质时死亡而设立。同时,TALOS的名字也是在向希腊神话中善于发明创造的钢铁巨人塔洛斯致敬,他曾每天绕着克里特岛行走三圈保护该岛。更加通俗地说,这个装备也称为“铁人”套装。

剑指“铁人”

TALOS只是全球为数众多的研究人体外骨骼项目中的一项,这些项目旨在赋予人类像“超人”一样的力气和耐力。但是制作连环画和电影中的“铁人”,比在真实世界中打造它们要容易得多。

目前,这一领域可谓失败累累。在TALOS之前,曾有一个叫作人体负重外骨骼(HULC)的项目,其研发出的装备证明它不是在给使用者加油,而是在“漏油”——很容易让穿戴者变得精疲力尽,最终该项目产品在被证明不实用之后也随即搁浅。一些科学家怀疑,TALOS和其他类似的项目制造出的沉重、坚硬的外骨骼根本不可能获得成功,他们认为这些项目很多时候忽视了解决最基本的生理问题。

提高人类的极限,这似乎被证明是个极为艰巨的工程学挑战。打造一个帮助残疾人的外骨骼是一回事,但是“很难从设计的角度改善一个人的行走或跑步的能力,因为在这些方面我们已经做到了极致。”美国麻省理工学院工程师Hugh Herr说。

因此,一些研究者已经降低了要求,他们开始寻找一种更加柔软的、更小的装备,制作类似可以连接在牵引电线上的紧身衣,或者是一个简单的踝固定器。在过去几年,研究人员最终形成了长远探索目标:制作出在水平跑步机上行走时可以减少穿戴者能量消耗的外骨骼。

这样的成果距离可以破门而入的超级士兵差了一大截,但它却提高了健康人穿戴这些设备和微处理器的希望。“我认为,我们正处于和莱特兄弟发明飞机时一样的阶段,就是他们可以让飞机飞起来,但是却不能飞行很长时间。”密歇根州立大学外骨骼研究专家Dan Ferris说。

频频夭折

军队领导层试图让士兵变得更加强大、坚韧、防御性强,他们一直梦想着士兵们能像漫威漫画中的“铁人”那样,可以从机械装备中获取力量。在上世纪60年代,美国海军研究办公室资助研发了Hardiman(编者注:名字有强大之意)项目,这是一个重量约680公斤的外骨骼项目,由通用电气全球研究公司负责研发。Hardiman项目最终被放弃了,但是让士兵变得更强大的想法并没有熄灭。

2000年,美国国防部高级研究计划局(DARPA,曾因发明因特网、隐形战斗机和无人机而闻名)开始资助有助于提高作战能力的外骨骼研究。其结果是发明了各式各样的高科技金属护腿。其中一项来自于加州大学伯克利分校的设计最终入选HULC项目。

2011年,美国国防部又和洛克希德马丁公司签署协议,后者被授权使用伯克利分校的技术,并计划在升级后的位于纳蒂克士兵研究开发与工程中心的HULC上使用这一技术,其中包括精简后的支架和自动化关节。

这一事件曾轰动一时。HULC“将会让士兵完成他们在今天不可能完成的事情,同时还可以帮助他们免受肌肉和骨骼损伤”。洛克希德项目经理Jim Ni在一次新闻发布会上说。该公司称,HULC能够通过一块电池帮助士兵负荷20公斤~90公斤的重物。

然而,这场欢呼很快就以夭折告终。当士兵穿上这个40公斤重的装备然后在跑步机上行走时,他们消耗的能量比没有这些装备时更多。在一项8人进行的穿戴测验中,与未穿戴该装备相比,穿上该装备后士兵的平均心跳上升了26%,而他们的氧气消耗也上升了39%。

其中的一大问题是,HULC迫使穿戴者不得不用和平常不一样的方式走路,纳蒂克中心领导该项目的生物机械工程师Karen Gregorczyk说。问题又因为人体和机械缺乏协调性变得更加复杂。“当你还没开始决定往前走时,它(HULC)会把你的腿向前踢。”Gregorczyk说,他曾花了半小时测试这套装备。

今天,最后一件HULC原型被搁置在佛罗里达州奥兰多一家公司的实验室中。与此同时,XOS 2——DARPA提出的另一项类似的外骨骼项目——的相关研发工作也被搁浅。

屡败屡战

尽管如此,HULC的没落并未阻止美军再次大干一场的雄心。现在,目光开始聚焦到了TALOS项目,这是原海军上将Bill McRaven的想法,直到去年McRaven一直担任五角大楼特种作战司令部(SOCOM)负责人。当一名海豹突击队队员在解救人质过程中牺牲后,有人问McRaven,为何时至今日仍没有好方法保护在这种情况下执行任务的士兵。“他问,‘我们的‘铁人’装备哪里去了?’”现在,担任得克萨斯州立大学校长的McRaven回忆说,“当时我不能回答这个问题。”2013年初,McRaven宣布进行一项为期5年的研究项目。

现在来看,新的外骨骼装备何时才能出现仍不清楚。项目组已经制定出时间表,计划在2018年完成一种功能齐全的外骨骼装备原型,现在该项目已经“步入正轨”,陆军上将、SOCOM现任负责人Joseph Votel在此前举办的一次会议上说。但是他强调:“该项目依然存在诸多挑战。”

一些外骨骼专家认为,还有一种更具有前景的选择方案。在哈佛大学工程师Conor Walsh的办公室中,4台缝纫机正在缝制着黑色的衣服。这些衣服代表着一种完全不同的外骨骼设计,他是DARPA支持的另一个名为“勇士织衣”的项目。和TALOS的主题相反,Walsh和团队要制作的不是沉重的、可能会阻碍人体正常活动的金属机械,而是通过织物、电线和小型发动机给穿戴者提供能量,并且可以让他们自由活动。

这种“柔软的外骨骼”重量仅有9公斤,所用的电量也仅有140瓦,比一台笔记本电脑略高一点。从理论上讲,这种装置意味着士兵在经过长途跋涉后不会感觉到过于疲惫或受到伤害。

然而,这种装备也存在问题——它并不能抵抗激烈的战争。穿戴者在经过两次远足之后,该装备的一些地方就出现了故障或是损坏。不过,Walsh表示,整体来看测验结果仍然是正面的。这些故障只是两周内检测时遇到的少数问题。

Gregorczyk列举了“铁人”装备——无论是坚硬还是柔软的材料——在真实生活中必须面对的一系列问题。“铁人”装备会发生自我受伤的情况吗?它带来的好处是否大于坏处?“比如,一个装备能够使负重士兵的新陈代谢降低5%。”她说,“这在实际操作中有什么用处?它有实际意义吗?”(红枫)

《中国科学报》 (2015-10-26 第3版 国际)
 
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