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医疗可穿戴装备外骨骼系统的故事

来源: 时间:2016-01-19 09:56 作者:
如今人类的生活正不断地经历着变化。无数曾经的科幻作品内容在今天已经成为了事实甚至已经面临淘汰。可否让那些古代的盔甲以及能够真正像昆虫或者软体动物的外骨骼一样成为身体一部分?

在美国犹他州一座秘密山地实验室,软件工程师雷克斯·詹姆森穿上一件金属机械外衣。他套上铝靴,捆紧腿上和腰间的皮带,背上背包,手臂伸进“袖子”,握住操纵杆。看上去比穿一件外套复杂不了多少。

然后他开始移动,此时,机械外衣一下子获得生命,配合着他的一举一动。他举起他的拳头,做拳击动作,左右脚交换着单脚跳跃,仿佛拳王阿里,虽然穿着150磅的铁外衣,看上去却很轻松。他能轻易把旁边的程序员推倒在地上,或者推翻一张桌子—但是更让人惊奇的是,他能整天这样做。为了展示他超人般的耐力,他走向一个放杠铃的架子,举起负重200磅的杠铃。然后,他又举了一次,又一次。50下时,他放下杠铃。从前的实验中,他曾连续500次举起200磅重杠铃。最后之所以放弃,并非因为疲倦,而是厌烦。

“嘿,兄弟,你这穿的是什么,这么厉害?”

“哦,没什么,只是之前无聊研发的一个叫XOS的机甲系统而已,用来玩玩打发下时间,科研太无聊拉。”

“。。。。。。。”

Allen早前看完《钢铁侠》之后,一直念念不忘托尼·斯达克那身高科技的机甲装备。抗摔、耐击打,会飞行,能自动瞄准并开火。任何人穿上这身装备,自然摇身一变成为钢铁侠,拯救世界的任务就交给你啦!

很多人可能会觉得很神奇的样子,但Allen想说的是,这是真的!!

这样的机甲装备其实就是一直被热炒的“可穿戴设备”,在专业领域一般用Exoskeleton(外骨骼)这个词汇来指代。外骨骼(Exoskeleton)一词,源自节肢动物门的动物。

一般来说,生物界通常把具备坚韧特性的几丁质体表层称为外骨骼,外骨骼最为重要的作用就是保护生物相对脆弱柔软的躯体和脏器。我们通常能够见到的螃蟹、虾等动物的外壳都可以称之为是外骨骼!

虾是最典型的外骨骼生物

从这种特性上来说的话,其实我们人类早就千百年前就从动物身上发现了外骨骼的好处并加以利用,比如中世纪重装骑兵们的护身盔甲以及后来出现的潜水装具,甚至是宇航员所穿的保护服都可以算做是一种外骨骼。正是这些形形色色的“外骨骼”帮助人类得以客服恶劣的自然环境保护我们相对柔弱的身体。

让我们把时间回溯到1830年的英国,时任英国著名插画师Robert Seymour当时也是太无聊了,于是脑洞大开,手绘了一幅画:《Walking By Steam》。

自此,以蒸汽为动力的行走辅助装置启迪了无数科学工作者对这一概念的探索,也成为了当代动力外骨骼技术的雏形。

再次把时光针拨到1890年的时候,当时一位来自俄罗斯的天才少年尼古拉斯·亚金发明了一套可以辅助人们行走、奔跑和跳跃的外骨骼装置。然而,由于这一装置的构造过于简单:仅仅有钢板弹簧和气囊式气压阀,因此它仍需要人的行走来驱动它,并不能提供额外的动力,所以它仍算不上真正意义上的动力外骨骼。

但即便如此,这些敢为人先的艺术家与发明家依然为后人留下了宝贵的借鉴价值。于是,更加成熟的构思与创造在20世纪的美国开花结果。

到了1917年的美国,当时正处于工业革命时期,社会一片繁荣。发明家莱斯利·凯利提出了一部名为”Pedomotor“的步动辅助装置,由蒸汽驱动的它奠定了现代动力外骨骼的研发基础,也率先还原了Robert Seymour的《Walking By Steam》。但由于在实际使用时穿戴者必须背负一台小型蒸汽机,且Pedomotor的设计过于简单,无法完美地随人体完成复杂的结构变形,最终被无奈搁浅。

pedemotor 外骨骼

近半个世纪过后,我们将目光放在1958年。此时正值冷战时期,美国为在军备、科技与太空领域全面超越苏联,成立了曾发明过因特网、GPS等伟大技术的美国国防部高级研究计划署——DARPA,就是这个机构援助了众多具有前瞻性的生物科技,包括达芬奇机器人项目。

DARPA成立一年后,被誉为“美国科幻黄金时期的四大才子”之一的罗伯特·海因莱因在这一年出版了经典科幻小说《星船伞兵》,并首次提及了“增强装甲”概念。没有人会想到,这种听起来似天方夜谭的动力装甲在一夜间深深植根于美国发明家的思维中。

在1960年代的时候,或许是受《星船伞兵》的启发,在Nail Mizen的带领下,专注于“黑科技”的DARPA开启了当代史上第一次真正意义上的动力外骨骼研发,也使得动力外骨骼首次军事化。但遗憾的是,这一装置由于供能不足,无法维持长久的续航,在那个相对保守的年代,被认为噱头大于实用的它被逐渐遗忘

1961年,Cornell Aeronautical Labs开始研发真正意义上的外骨骼系统Man-Amplifier。

1963年,当漫威漫画主角“钢铁侠”最早出现时,军队也在构想自己的“铁人”。当时美国陆军武器研究者谢尔盖·扎鲁德尼发表了一份报告,描述他设计的可穿戴机器外衣,它将使穿着者获得绿巨人式的力量,但是当时还不存在实现这个构想的技术,除了少数非军事设计外,真正超能外衣的前景渺茫。

直到1965年,美国军方和通用公司联合研发了一部名为“哈迪曼(Hardiman)”的动力外骨骼装置。哈迪曼通过液压和电机驱动结构,一改DARPA遭遇的供能不足问题。配合力觉反馈感应系统,哈迪曼不仅能够感受穿戴者的动作意图,还能将用户的力量放大25倍。这一切看似完美,但整机重达680千克的它根本无法让穿戴者自如行走。

Hardiman

后来,Hardiman最终被改变为机械臂。

Hardiman最终被改变为机械臂

时间来到实际之交的2000年,计算机迅猛发展,一切条件都开始变得成熟起来,研究不再是局限于某个领域,此时美帝一掷千金,开始全面布局机甲制造。

2000年的时候,美国国防部高级研究计划署(DARPA)开始了为期7年投资7500万美元的机械外骨骼研究计划(Exoskeletons for Human Performance Augmentation,EHPA)。那时,少数机械外骨骼支持者认为(包括美国陆军上校杰克·奥布瑟克)技术终于追赶上构想。从1995年起,奥布瑟克就协助推进外骨骼研究。他说,随着感应器日益变得更小,功能更全面,处理器速度加快,他和其他支持者有理由相信机械外骨骼有可能成为现实。

但是Darpa野心勃勃的目标谁看了都觉得不切实。它想要一种神奇的机器,它能让士兵连续几天拖着几百磅重物奔跑,却不觉疲惫;它能让士兵灵活操作通常需要两人驾驭的武器;能够背着两名负伤的战友轻松撤离战场。他们要求这套机械外衣能附带装甲,让敌人炮火对它无可奈何。他们甚至希望它能帮助士兵跳得更高。

启动计划前,DARPA咨询的一些顾问立刻指出他们的构想不切实际。初期负责Darpa铁人计划的康沃尔大学工程师伊夫拉辛·加西亚说,“我询问的人之中,一半对它笃信不疑,另一半认为它根本就是浪费时间、金钱和资源。”那些泼冷水的人并没有错,他补充说,“这确实是一项艰巨挑战。”机械外骨骼将需要一套轻盈的动力系统,能够连续几天提供电能;它还需要小巧强大的人工肌肉;一套复杂的动作控制系统。它还必须行动灵敏、反应迅速。

外骨骼必须成为士兵的机械影子,能够读懂他的一举一动,及时地模仿他的每个动作,即使是毫秒的迟疑也会造成负担,让士兵感觉像行走在水中一样费力。这套机械外衣的感应器必须能够以每秒几千次的速度读懂施加在它全身的每个轻微动作,它的微处理器必须足够强大,能把这些数据及时转换成指令传送给机械四肢,使它们与内部穿着者的行动协调一致。

然而,2000年时候的英特尔微处理器还没有这么强大的数据处理能力,就像早期的虚拟现实头盔一样,时机尚未成熟。

当时加州伯克利大学接受了DARPA 5000万美元的投资,并研制出了”Berkeley Lower Extremity Exoskeleton(伯克利下肢外骨骼系统,即BLEEX)”,这也是目前最“长寿”的动力外骨骼装置之一。这款设备让当时的外骨骼制造精英企业Ekso公司出尽了风头。

BLEEX. 2004

相比于在19世纪屡遭瓶颈的军用外骨骼,BLEEX的研发过程则显得更加沉稳、切合实际。专注于提升穿戴者负重的它将设计重心转移到腰间与腿部的支撑结构上。BLEEX不仅能让美军轻松担起90公斤的负重,同时还能穿越复杂的地形。当BLEEX的动力不足时,佩戴者还可以将它从腿部拆卸下来,并折叠成一个规格化的背包,方便存储与运输。实用性与便携性兼具的BLEEX为动力外骨骼的进一步研发指明了方向。

不久后,一家位于美国犹他州、名为”Sarcos(萨克斯)”的科研企业在接受了DARPA的订单之后也开始研究外骨骼系统。其首部成品在2006年经过了DARPA的方案审核,它就是近年来声名大噪的XOS。

XOS重达68公斤,能够让穿戴者轻松举起90公斤的重物。其具备前所未有的动作灵敏度,同时还可以提供高达6:1的力增比:紧贴身体表面的传感器能够直接感应到穿戴者的动作幅度和力度,通过电脑计算后,XOS可以输出相同的幅度和6倍的力度。不过遗憾的是,XOS初代原型机的续航时间仅有40分钟。

在2005年的时候,UC Berkeley机器人和人体工程实验室三名学者创立了Berkeley Bionics。同年发布ExoHiker系列,提高长途承重至150磅/70公斤,2007年承重升级至200磅/90公斤。

2009年Berkeley Bionics发布了液压传动的人类外骨骼负重系统(HULC/Human Universal Load Carrier),承重力200磅/90公斤(包括武器、弹药、电子设备、防弹衣等),能够大幅提高单兵作战能力。同年Berkeley Bionics将HULC技术独家授权给Lockheed Martin公司。

HULC动力外骨骼

其实早在XOS问世的时候,深耕于航空航天技术的洛克希德·马丁公司就开始涉足动力外骨骼领域,在Berkeley Bionics公司技术帮助下,成功发布了HULC(Human Universal Load Carrier,人类负重外骨骼)系统。初代HULC可以提供大概90公斤的负重,并使得穿戴者在无负重感的条件下以接近16公里/时的冲刺速度疾行。

经过洛克希德·马丁公司的不断改进,最新一代的HULC在加满燃油后不仅拥有24小时的超长续航,还能够完美同步士兵的复杂动作,其中包括深蹲、匍匐等。

在2010年的时候,收购了Sarcos的美国军火巨头雷神公司推出更为轻便和完善的第二代产品XOS2,它相比第一代更为结实和灵活,同时还降低了动力的损耗。穿戴者可以完成上千次俯卧撑却若无其事,轻而易举地举起重达200磅的物体,单手劈开厚达3英寸的木板。

地点突然转移到了阿富汗一座隐蔽的碉堡里,4个背步枪的男人守卫着一扇厚重生锈的大门。砰!一个巨大的拳头从里面锤打大门。砰!猛烈的撞击,铁门出现凹痕。门猛烈震动,铰链脱落。卫兵畏缩,后退。要从门后冲出来的东西必然是个气急败坏的大家伙。

门突然被撞开,一个金属巨人冲出。它看似一个机器人,但是,在铁甲内,著名的武器设计师托尼·斯塔克操纵这头金属怪兽。子弹被铁甲反弹回,几乎不留痕迹。他一拳把卫兵打倒在地,怒视周围的敌军营地,打开手臂上火焰喷射器,将据点烧成火海。

这只不过是《钢铁侠》里的一个情节而已,然而却成为了另一项计划的开始。

在2012年底的时候,美国特种部队海豹六队在阿富汗东部解救一名美国医生人质时,一名特种兵遭遇枪杀。此事件直接导致了美军特种作战司令部(USSOCOM)于2013年启动新的外骨骼研究计划——战术突袭轻甲项目(Tactical Assault Light Operator Suit, TALOS)。

美国特种作战司令部把战术突袭轻甲划分成若干个功能模块,对每个模块提出了具体的研制要求,最终这些模块将整合成完整的动力盔甲系统。我们可以从中管窥一下未来单兵动力盔甲的发展方向。

动力与能源:能源内置且体积尽量小,动力系统的运行安静且无需氧气,集成化能源管理系统。动力系统除支持外骨骼的运动外还需支持可穿戴计算机、可编程无线电和发射天线。

机动性:能大大增强穿戴者的灵活性和力量的动力外骨骼系统,动作自然无变形,低功耗设计。

盔甲:全身能防御普通步枪的射击并抵御爆炸的冲击,强化头部/颈部和身体要害区域的防护。盔甲使用先进材料制造,以最轻的重量获取最大的保护。具有有限的水下呼吸能力。

攻击系统:全向频闪眩目灯、致人暂时失能的大功率扬声器、可重复使用的高压电击器等非致命性武器。

人机接口:嵌入式健康监测系统,能实时监测穿戴者心理和生理指标。可以调节盔甲内部温度的空调系统。能自动记录盔甲的操作信息。头盔显示器可以为穿戴者提供传感器阵列获取的环境信息,增强态势感知能力。

数据和控制:机载多核实施处理器,支持持续改进的开源结构,机载数据储存器。

通信系统:高宽带通信系统,可拆卸的应急通信装置。

TALOS项目由56家公司、18个政府机构、13个大学和10个国家实验室共同参与,其中包括包括特效模型生产商Legacy Effects、小型科技公司以及雷神(Sarcos / Raytheon)、洛克希德·马丁(Ekso / Lockheed Martin)和通用动力(General Dynamics)等国防军工企业。

该项目的研究目标已经接近标准科幻中的设定场景了:不仅具备防弹、助力、夜视、增强现实的能力,还能监测生命体征、自动喷药等。

不过,在太平洋彼岸的日本,则又是另一番景象了

责编:杨承龙 满容妍美编:罗焱冰
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