真实世界钢铁侠：穿上机械外骨骼，一起“复仇”一起飞 / 开普饭

自钢铁侠搬上银幕以来，托尼·斯塔克总共制造了42套钢铁侠装甲。在最近刚刚上映的新电影《复仇者联盟2：奥创纪元》中，我们的土豪工程师又推出了第43套装甲MK XLIII和第44套Hulkbuster——也就是著名的“浩克终结者”。MK XLIII比起前套MK XLII并没有实质变化，只是外观中红色所占比重大了些，而功能也仅仅是多了红外线扫描，允许操作者看穿墙面。

MK XLIII。图片来源：wikia.com

而浩克终结者则是斯塔克专门为和绿巨人干架设计的。这套装甲高11英尺（约3.4米），体积是绿巨人的两倍，由8个方舟反应堆驱动，是迄今为止最大、最高、最沉的钢铁侠装甲。浩克终结者的颜色依旧以红金为主色，身上装有多个冲击光束可进行攻击，而该装甲最重要的新特性是它配有一个名叫“维罗妮卡（Veronica）”的卫星，可以随时为在战斗中损坏的装甲提供新的配件。

浩克终结者。图片来源：wikia.com

钢铁侠装甲在我们的现实生活中是有原型的，这类装甲被统称为“机械外骨骼”（exoskeleton）。电影中斯塔克以惊人的速度更新着他的装甲，而在现实生活中，科学家的研发速度远没有这么快。让我们来细数一下已存在的机械外骨骼设计与钢铁侠套装还有怎样的差距吧。

军方的那些“钢铁侠”

目前，现实中最接近钢铁侠的机械外骨骼有两套，其一就是洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）的“HULC”，另一个则是雷神公司（Raytheon）的“XOS 2”。

洛克希德·马丁公司的HULC。图片来源：military.china.com

雷神公司的XOS 2。图片来源：prnewswire.com

都是DARPA的“阴谋”

如果往前看几年，HULC和XOS 2之间是相当有渊源的，并且从开始的研发到最后的产品间也是充满了故事。

故事要从大名鼎鼎的神盾局，啊不，美国国防先进研究项目局（Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA）说起。2000年时，DARPA拨款5000万美元成立了人类行动强化外骨骼项目（EHPA）。当时，DARPA 从23份提案中选出了加州大学伯克利分校、萨克罗斯研究所、橡树岭国家实验室以及米伦纽姆喷气机有限公司作为主承包商，让这些机构或公司去研究可以增强士兵速度、力量和耐力的机械外骨骼。

其中，加州大学伯克利分校得到了1100万美金，用以研究可增强下肢能力的机械外骨骼技术，并于2004年由其下属的人体工程和机器人实验室成功研发出伯克利下肢外骨骼（BLEEX）——这就是HULC的原型。

HULC的原型：伯克利下肢外骨骼（The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton ，简称BLEEX）。图片来源：berkeley.edu

2005年，BLEEX研发成员成立了Berkeley ExoWorks公司，并推出第二代产品：ExoHiker和ExoClimber，两者都可以让穿戴者毫无压力地搬运约68千克重的背包。

2007年公司更名为Berkeley Bionics（2011年又改名为Ekso Bionics），并于2009年推出HULC，同时授权洛克希德·马丁公司在军事领域对其进行推广。HULC由背包式外架，金属腿框架及相应的液压驱动设备组成，穿戴者携带的负荷不会作用在本人身上，而是直接经由机械外骨骼传至地面。HULC的功能主要包括力量增强和耐力增强两项。力量增强体现在士兵佩戴后可搬运90千克的重物而毫无感觉；耐力增强体现为在3.2km/s的行动速度下可降低5%~12%的氧气消耗。

由背包式外架，金属腿框架及相应的液压驱动设备构成的HULC。图片来源：wired.com

而Sarcos Research则分到了990万美金，用以研究全身机械外骨骼。他们于2006年发表了第一款原型机——XOS 1，这也是XOS 2的原型。XOS 1搬运重量的实际和察觉比为6：1，也就是说搬运60千克的重物时，穿戴者会感到只搬运了10千克。2007年，雷神公司收购了Sarcos，并在2010年推出XOS 2。XOS 1当初设计的目的最主要是证明理论的可行性，XO2才对性能有了更高的要求，需要更轻、更快、更强的设计，并且需要降低能源消耗。相比第一代产品，XOS 2的重量轻了10%，搬运重量的实际和察觉比为17：1，能源消耗也降低了50%。

XOS 1。图片来源：popsci.com

XOS 2。图片来源：engadget.com

XOS的原理是当身体运动时，力量传感器（sensor）将运动部位的力量大小用信号的方式传送到电脑。电脑（computer）会计算机械外骨骼的运动，并算出如何最大程度降低使用者的用力。然后，电脑会将信号传输到阀门（valves），通过控制高压液体的流动来控制关节处的圆柱制动器（cylinder actuator）移动，并拉动线缆（cables）去驱动机械外骨骼——就跟我们的肌肉似得。XOS共有30个制动器来控制不同关节。

XOS的工作原理示意图。图片来源：popsci.com

另外那边，米伦纽姆喷气机有限公司（后改名为Trek Aerospace）也分得了510万美金，用以研制单人垂直起降的飞行外骨骼“SoloTrek XFV”，并于2005年研制成功。SoloTrek XFV通过汽油驱动两侧的管道风扇，以100 km/h的速度持续飞行2个小时。在电脑模拟的情况下，飞行高度可达到8000英尺（约2400米）的飞行高度——这也算是弥补了HULC和XOS 2 不能飞的遗憾吧。

靠两侧的管道风扇驱动飞行的SoloTrek XFV。图片来源：nasa.gov

后起之秀

在此之后，美国又成立了两项新的机械外骨骼项目，但样机还在研发过程中，没有对外开放。

其中，美国特种作战司令部（U.S. Special Operations Command ，简称SOCOM）在2013年向外界透露，他们正在研究一个名为“Tactical Assault Light Operator Suit”（TALOS）的项目。按照计划，TALOS全部由防弹材料制成，该装备能降低光线和噪音的干扰，增强士兵的身体机能，具有环境感知能力，此外还可以显示战场信息，装备内还安装有温度管理以及医疗监视设备等。现在，TALOS已经吸引了56家企业，16个政府部门，13所大学和10家国家实验室参与竞标，并准备于2018年推出第一套样品。

2012年的芝加哥车展上，军方在向人们展示2032年的士兵应该是什么样子。图片来源：defensemedianetwork.com

另一个项目是2011年DARPA（对，又是他们）提出的“The Warrior Web” 项目。该项目希望能研制出一套材质柔软轻便的装甲，用来降低负重的士兵在长途奔袭中关节和肌肉受伤的几率。整个项目分为两个阶段，第一个阶段是从2011年9月到2013年第三季度，现已完成。内容主要是对单项技术进行独立的研究，比如关节部位的支撑、肌骨骼劳损的减缓、士兵行动和负重的动力建模等。最后由哈佛大学、斯坦福大学以及波士顿动力公司等机构竞标成功。

第二阶段是从2014年第一季度到2016年第三季度，主要是第一阶段中各项技术的融合，并制作出第一代样品。其中研制出HULC的Ekso Bionics公司得到了波士顿动力公司的分合同，成功进入第二阶段的研究。

材质柔软轻便，主要用来减轻长途跋涉时腿部关节负担的The Warrior Web。图片来源：army.mil

无论是正在研制的TALOS和The Warrior Web，还是已经有样品的HULC和XOS 2，目的都是应用在军事领域，目前还都没有量产及推广，大多只停留在实验室或者小规模的测试阶段。但在其他领域，机械外骨骼已经取得了很好发展，并成功得到了商业上的推广。

钢铁侠做不到的，我们也可以：

医疗领域的机械外骨骼

在医疗领域处于领先地位的有两个产品，一是日本筑波大学和Cyberdyne公司于1995年联合研制的混合辅助性肢体（Hybrid Assistive Limb，简称HAL）。2013年，HAL的第五代产品HAL 5也已上市，同年2月获得了国际安全认证，是第一家获得该认证的机械外骨骼。同年8月，HAL 5获得欧盟认证，允许其在欧盟境内进行医学治疗。

HAL 5。图片来源：businessinsider.com

比起使用力学传感器来接收穿戴者运动信息的XOS， HAL采用的方法是收集穿戴者神经信号。当穿戴者试图移动身体时，神经信号会通过运动神经元从大脑传输到肌肉，从而带动穿戴者的肌肉骨骼系统。此时，皮肤表面会发出微弱的生物信号，所以穿戴HAL时，使用者需要将传感器附着在皮肤上。基于这些收集到的生物信号，再经过相应的处理后，HAL的动力系统会去驱动相应的装甲关节，辅助和增强穿戴者的移动。

HAL主要功能是辅助残疾人和老人的日常生活以及病人的长期复健，也可协助体力工作者的日常劳作，比如护士移动病人以及建筑工人搬砖等。截至到2012年10月，日本已经有300多套HAL应用于130家医疗机构或养老院。2014年，日本的建筑承包商株式会社大林组（Obayashi Corporation）也将其引进到了建筑领域（用来搬砖）。

另一家成功的医疗外骨骼公司是Ekso Bionics，他们将HULC委托给洛克希德·马丁公司进行军事领域的推广后，又于2010年又推出了新的装备Ekso（原名eLEGS）进军医疗领域。该产品的目标是帮助截瘫者和其他活动不便者站立和行走。Ekso重20千克，由液压驱动，最高速度能达到3.2 km/h，电池可持续6个小时。

帮助截瘫者和其他活动不便者站立和行走的Ekso（原名eLEGS）。图片来源：inquisitr.com

眼光再远一点：其他领域的机械外骨骼呢？

2014年，洛克希德·马丁公司又在HULC的基础上推出了FORTIS，帮助操作者携带重型工具，并以站立或跪立的姿势来操作工具，最高可毫无重量感的装配16.3千克的工具，并提高2~27倍的工作效率。2014年，美国海军宣布采购2台FORTIS进行测试和评估——这也是其第一次工业应用。

洛克希德·马丁公司2014年推出的FORTIS。图片来源：military.china.com

NASA在2012年的时候也宣布，他们正在和佛罗里达人与机器认知研究所（Florida Institute for Human and Machine Cognition）进行机械外骨骼研究，取名为The X1 Mina。The X1 Mina是两用的机械外骨骼，一方面可协助宇航员进行长距离太空任务，另一方面也可以在地球上帮助下肢瘫痪者行走。目前，样品已在宇宙空间站进行测试了。