【編者按】本文作者allenxu，本文將講述185年來，可穿戴裝備外骨骼系統(tǒng)發(fā)展的歷史過程。

無數(shù)曾經(jīng)的科幻作品內(nèi)容在今天已經(jīng)成為了事實甚至已經(jīng)面臨淘汰，可否讓那些古代的盔甲以及能夠真正像昆蟲或者軟體動物的外骨骼一樣成為身體的附加式“人工器官”呢？

在美國猶他州一座秘密山地實驗室，軟件工程師雷克斯·詹姆森穿上一件金屬機(jī)械外衣。他套上鋁靴，捆緊腿上和腰間的皮帶，背上背包，手臂伸進(jìn)“袖子”，握住操縱桿?？瓷先ケ却┮患馓讖?fù)雜不了多少。

然后他開始移動，此時，機(jī)械外衣一下子獲得生命，配合著他的一舉一動。他舉起他的拳頭，做拳擊動作，左右腳交換著單腳跳躍，仿佛拳王阿里，雖然穿著150磅的鐵外衣，看上去卻很輕松。他能輕易把旁邊的程序員推倒在地上，或者推翻一張桌子—但是更讓人驚奇的是，他能整天這樣做。為了展示他超人般的耐力，他走向一個放杠鈴的架子，舉起負(fù)重200磅的杠鈴。然后，他又舉了一次，又一次。50下時，他放下杠鈴。從前的實驗中，他曾連續(xù)500次舉起200磅重杠鈴。最后之所以放棄，并非因為疲倦，而是厭煩。

“嘿，兄弟，你這穿的是什么，這么厲害？”
“哦，沒什么，只是之前無聊研發(fā)的一個叫XOS的機(jī)甲系統(tǒng)而已，用來玩玩打發(fā)下時間，科研太無聊拉?！?br/>“......”

Allen早前看完《鋼鐵俠》之后，一直念念不忘托尼·斯達(dá)克那身高科技的機(jī)甲裝備。抗摔、耐擊打，會飛行，能自動瞄準(zhǔn)并開火。任何人穿上這身裝備，自然搖身一變成為鋼鐵俠，拯救世界的任務(wù)就交給你啦！

很多人可能會覺得很神奇的樣子，但Allen想說的是，這是真的！

這樣的機(jī)甲裝備其實就是一直被熱炒的“可穿戴設(shè)備”，在專業(yè)領(lǐng)域一般用Exoskeleton（外骨骼）這個詞匯來指代。外骨骼（Exoskeleton）一詞，源自節(jié)肢動物門的動物。

一般來說，生物界通常把具備堅韌特性的幾丁質(zhì)體表層稱為外骨骼，外骨骼最為重要的作用就是保護(hù)生物相對脆弱柔軟的軀體和臟器。我們通常能夠見到的螃蟹、蝦等動物的外殼都可以稱之為是外骨骼！

（蝦是最典型的外骨骼生物）

從這種特性上來說的話，其實我們?nèi)祟愒缇颓О倌昵熬蛷膭游锷砩习l(fā)現(xiàn)了外骨骼的好處并加以利用，比如中世紀(jì)重裝騎兵們的護(hù)身盔甲以及后來出現(xiàn)的潛水裝具，甚至是宇航員所穿的保護(hù)服都可以算做是一種外骨骼。正是這些形形色色的“外骨骼”幫助人類得以客服惡劣的自然環(huán)境保護(hù)我們相對柔弱的身體。

讓我們把時間回溯到1830年的英國，時任英國著名插畫師Robert Seymour當(dāng)時也是太無聊了，于是腦洞大開，手繪了一幅畫:《Walking By Steam》。

自此，以蒸汽為動力的行走輔助裝置啟迪了無數(shù)科學(xué)工作者對這一概念的探索，也成為了當(dāng)代動力外骨骼技術(shù)的雛形。

再次把時光針撥到1890年的時候，當(dāng)時一位來自俄羅斯的天才少年尼古拉斯·亞金發(fā)明了一套可以輔助人們行走、奔跑和跳躍的外骨骼裝置。然而，由于這一裝置的構(gòu)造過于簡單：

僅僅有鋼板彈簧和氣囊式氣壓閥，因此它仍需要人的行走來驅(qū)動它，并不能提供額外的動力，所以它仍算不上真正意義上的動力外骨骼。

但即便如此，這些敢為人先的藝術(shù)家與發(fā)明家依然為后人留下了寶貴的借鑒價值。于是，更加成熟的構(gòu)思與創(chuàng)造在20世紀(jì)的美國開花結(jié)果。

到了1917年的美國，當(dāng)時正處于工業(yè)革命時期，社會一片繁榮。發(fā)明家萊斯利·凱利提出了一部名為”Pedomotor“的步動輔助裝置，由蒸汽驅(qū)動的它奠定了現(xiàn)代動力外骨骼的研發(fā)基礎(chǔ)，也率先還原了Robert Seymour的《Walking By Steam》。但由于在實際使用時穿戴者必須背負(fù)一臺小型蒸汽機(jī)，且Pedomotor的設(shè)計過于簡單，無法完美地隨人體完成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形，最終被無奈擱淺。

（pedemotor 外骨骼）

近半個世紀(jì)過后，我們將目光放在1958年。此時正值冷戰(zhàn)時期，美國為在軍備、科技與太空領(lǐng)域全面超越蘇聯(lián)，成立了曾發(fā)明過因特網(wǎng)、GPS等偉大技術(shù)的美國國防部高級研究計劃署——DARPA，就是這個機(jī)構(gòu)援助了眾多具有前瞻性的生物科技，包括達(dá)芬奇機(jī)器人項目。

DARPA成立一年后，被譽(yù)為“美國科幻黃金時期的四大才子”之一的羅伯特·海因萊因在這一年出版了經(jīng)典科幻小說《星船傘兵》，并首次提及了“增強(qiáng)裝甲”概念。沒有人會想到，這種聽起來似天方夜譚的動力裝甲在一夜間深深植根于美國發(fā)明家的思維中。

在1960年代的時候，或許是受《星船傘兵》的啟發(fā)，在Nail Mizen的帶領(lǐng)下，專注于“黑科技”的DARPA開啟了當(dāng)代史上第一次真正意義上的動力外骨骼研發(fā)，也使得動力外骨骼首次軍事化。但遺憾的是，這一裝置由于供能不足，無法維持長久的續(xù)航，在那個相對保守的年代，被認(rèn)為噱頭大于實用的它被逐漸遺忘

1961年，Cornell Aeronautical Labs開始研發(fā)真正意義上的外骨骼系統(tǒng)Man-Amplifier。

1963年，當(dāng)漫威漫畫主角“鋼鐵俠”最早出現(xiàn)時，軍隊也在構(gòu)想自己的“鐵人”。當(dāng)時美國陸軍武器研究者謝爾蓋·扎魯?shù)履岚l(fā)表了一份報告，描述他設(shè)計的可穿戴機(jī)器外衣，它將使穿著者獲得綠巨人式的力量，但是當(dāng)時還不存在實現(xiàn)這個構(gòu)想的技術(shù)，除了少數(shù)非軍事設(shè)計外，真正超能外衣的前景渺茫。

直到1965年，美國軍方和通用公司聯(lián)合研發(fā)了一部名為“哈迪曼(Hardiman)”的動力外骨骼裝置。哈迪曼通過液壓和電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，一改DARPA遭遇的供能不足問題。配合力覺反饋感應(yīng)系統(tǒng)，哈迪曼不僅能夠感受穿戴者的動作意圖，還能將用戶的力量放大25倍。這一切看似完美，但整機(jī)重達(dá)680千克的它根本無法讓穿戴者自如行走。

（Hardiman）

后來，Hardiman最終被改變?yōu)闄C(jī)械臂。

（Hardiman最終被改變?yōu)闄C(jī)械臂）

時間來到實際之交的2000年，計算機(jī)迅猛發(fā)展，一切條件都開始變得成熟起來，研究不再是局限于某個領(lǐng)域，此時美帝一擲千金，開始全面布局機(jī)甲制造。

2000年的時候，美國國防部高級研究計劃署（DARPA）開始了為期7年投資7500萬美元的機(jī)械外骨骼研究計劃（Exoskeletons for Human Performance Augmentation，EHPA）。那時，少數(shù)機(jī)械外骨骼支持者認(rèn)為（包括美國陸軍上校杰克·奧布瑟克）技術(shù)終于追趕上構(gòu)想。從1995年起，奧布瑟克就協(xié)助推進(jìn)外骨骼研究。

他說，隨著感應(yīng)器日益變得更小，功能更全面，處理器速度加快，他和其他支持者有理由相信機(jī)械外骨骼有可能成為現(xiàn)實。

但是Darpa野心勃勃的目標(biāo)誰看了都覺得不切實——

它想要一種神奇的機(jī)器，它能讓士兵連續(xù)幾天拖著幾百磅重物奔跑，卻不覺疲憊；它能讓士兵靈活操作通常需要兩人駕馭的武器；能夠背著兩名負(fù)傷的戰(zhàn)友輕松撤離戰(zhàn)場。他們要求這套機(jī)械外衣能附帶裝甲，讓敵人炮火對它無可奈何。他們甚至希望它能幫助士兵跳得更高。

啟動計劃前，DARPA咨詢的一些顧問立刻指出他們的構(gòu)想不切實際。初期負(fù)責(zé)Darpa鐵人計劃的康沃爾大學(xué)工程師伊夫拉辛·加西亞說，“我詢問的人之中，一半對它篤信不疑，另一半認(rèn)為它根本就是浪費時間、金錢和資源?！蹦切娎渌娜瞬]有錯，他補(bǔ)充說，“這確實是一項艱巨挑戰(zhàn)?！?/p>

機(jī)械外骨骼將需要一套輕盈的動力系統(tǒng)，能夠連續(xù)幾天提供電能；它還需要小巧強(qiáng)大的人工肌肉；一套復(fù)雜的動作控制系統(tǒng)。它還必須行動靈敏、反應(yīng)迅速。

外骨骼必須成為士兵的機(jī)械影子，能夠讀懂他的一舉一動，及時地模仿他的每個動作，即使是毫秒的遲疑也會造成負(fù)擔(dān)，讓士兵感覺像行走在水中一樣費力。

這套機(jī)械外衣的感應(yīng)器必須能夠以每秒幾千次的速度讀懂施加在它全身的每個輕微動作，它的微處理器必須足夠強(qiáng)大，能把這些數(shù)據(jù)及時轉(zhuǎn)換成指令傳送給機(jī)械四肢，使它們與內(nèi)部穿著者的行動協(xié)調(diào)一致。

然而，2000年時候的英特爾微處理器還沒有這么強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，就像早期的虛擬現(xiàn)實頭盔一樣，時機(jī)尚未成熟。

當(dāng)時加州伯克利大學(xué)接受了DARPA 5000萬美元的投資，并研制出了”Berkeley Lower Extremity Exoskeleton（伯克利下肢外骨骼系統(tǒng)，即BLEEX）”，這也是目前最“長壽”的動力外骨骼裝置之一。這款設(shè)備讓當(dāng)時的外骨骼制造精英企業(yè)Ekso公司出盡了風(fēng)頭。

（BLEEX. 2004）

相比于在19世紀(jì)屢遭瓶頸的軍用外骨骼，BLEEX的研發(fā)過程則顯得更加沉穩(wěn)、切合實際。專注于提升穿戴者負(fù)重的它將設(shè)計重心轉(zhuǎn)移到腰間與腿部的支撐結(jié)構(gòu)上。BLEEX不僅能讓美軍輕松擔(dān)起90公斤的負(fù)重，同時還能穿越復(fù)雜的地形。當(dāng)BLEEX的動力不足時，佩戴者還可以將它從腿部拆卸下來，并折疊成一個規(guī)格化的背包，方便存儲與運(yùn)輸。實用性與便攜性兼具的BLEEX為動力外骨骼的進(jìn)一步研發(fā)指明了方向。
不久后，一家位于美國猶他州、名為”Sarcos（薩克斯）”的科研企業(yè)在接受了DARPA的訂單之后也開始研究外骨骼系統(tǒng)。其首部成品在2006年經(jīng)過了DARPA的方案審核，它就是近年來聲名大噪的XOS。

XOS重達(dá)68公斤，能夠讓穿戴者輕松舉起90公斤的重物。其具備前所未有的動作靈敏度，同時還可以提供高達(dá)6:1的力增比：緊貼身體表面的傳感器能夠直接感應(yīng)到穿戴者的動作幅度和力度，通過電腦計算后，XOS可以輸出相同的幅度和6倍的力度。不過遺憾的是，XOS初代原型機(jī)的續(xù)航時間僅有40分鐘。

在2005年的時候，UC Berkeley機(jī)器人和人體工程實驗室三名學(xué)者創(chuàng)立了Berkeley Bionics。同年發(fā)布ExoHiker系列，提高長途承重至150磅/70公斤，2007年承重升級至200磅/90公斤。

2009年Berkeley Bionics發(fā)布了液壓傳動的人類外骨骼負(fù)重系統(tǒng)（HULC/Human Universal Load Carrier），承重力200磅/90公斤（包括武器、彈藥、電子設(shè)備、防彈衣等），能夠大幅提高單兵作戰(zhàn)能力。同年Berkeley Bionics將HULC技術(shù)獨家授權(quán)給Lockheed Martin公司。

（HULC動力外骨骼）

其實早在XOS問世的時候，深耕于航空航天技術(shù)的洛克希德·馬丁公司就開始涉足動力外骨骼領(lǐng)域，在Berkeley Bionics公司技術(shù)幫助下，成功發(fā)布了HULC（Human Universal Load Carrier，人類負(fù)重外骨骼）系統(tǒng)。初代HULC可以提供大概90公斤的負(fù)重，并使得穿戴者在無負(fù)重感的條件下以接近16公里/時的沖刺速度疾行。

經(jīng)過洛克希德·馬丁公司的不斷改進(jìn)，最新一代的HULC在加滿燃油后不僅擁有24小時的超長續(xù)航，還能夠完美同步士兵的復(fù)雜動作，其中包括深蹲、匍匐等。

在2010年的時候，收購了Sarcos的美國軍火巨頭雷神公司推出更為輕便和完善的第二代產(chǎn)品XOS2，它相比第一代更為結(jié)實和靈活，同時還降低了動力的損耗。穿戴者可以完成上千次俯臥撐卻若無其事，輕而易舉地舉起重達(dá)200磅的物體，單手劈開厚達(dá)3英寸的木板。

地點突然轉(zhuǎn)移到了阿富汗一座隱蔽的碉堡里，4個背步槍的男人守衛(wèi)著一扇厚重生銹的大門。砰！一個巨大的拳頭從里面錘打大門。砰！猛烈的撞擊，鐵門出現(xiàn)凹痕。門猛烈震動，鉸鏈脫落。衛(wèi)兵畏縮，后退。要從門后沖出來的東西必然是個氣急敗壞的大家伙。

門突然被撞開，一個金屬巨人沖出。它看似一個機(jī)器人，但是，在鐵甲內(nèi)，著名的武器設(shè)計師托尼·斯塔克操縱這頭金屬怪獸。子彈被鐵甲反彈回，幾乎不留痕跡。他一拳把衛(wèi)兵打倒在地，怒視周圍的敵軍營地，打開手臂上火焰噴射器，將據(jù)點燒成火海。

這只不過是《鋼鐵俠》里的一個情節(jié)而已，然而卻成為了另一項計劃的開始。

在2012年底的時候，美國特種部隊海豹六隊在阿富汗東部解救一名美國醫(yī)生人質(zhì)時，一名特種兵遭遇槍殺。此事件直接導(dǎo)致了美軍特種作戰(zhàn)司令部（USSOCOM）于2013年啟動新的外骨骼研究計劃——戰(zhàn)術(shù)突襲輕甲項目（Tactical Assault Light Operator Suit, TALOS）。

美國特種作戰(zhàn)司令部把戰(zhàn)術(shù)突襲輕甲劃分成若干個功能模塊，對每個模塊提出了具體的研制要求，最終這些模塊將整合成完整的動力盔甲系統(tǒng)。我們可以從中管窺一下未來單兵動力盔甲的發(fā)展方向。

動力與能源：能源內(nèi)置且體積盡量小，動力系統(tǒng)的運(yùn)行安靜且無需氧氣，集成化能源管理系統(tǒng)。動力系統(tǒng)除支持外骨骼的運(yùn)動外還需支持可穿戴計算機(jī)、可編程無線電和發(fā)射天線。

機(jī)動性：能大大增強(qiáng)穿戴者的靈活性和力量的動力外骨骼系統(tǒng)，動作自然無變形，低功耗設(shè)計。

盔甲：全身能防御普通步槍的射擊并抵御爆炸的沖擊，強(qiáng)化頭部/頸部和身體要害區(qū)域的防護(hù)。盔甲使用先進(jìn)材料制造，以最輕的重量獲取最大的保護(hù)。具有有限的水下呼吸能力。

攻擊系統(tǒng)：全向頻閃眩目燈、致人暫時失能的大功率揚(yáng)聲器、可重復(fù)使用的高壓電擊器等非致命性武器。

人機(jī)接口：嵌入式健康監(jiān)測系統(tǒng)，能實時監(jiān)測穿戴者心理和生理指標(biāo)?？梢哉{(diào)節(jié)盔甲內(nèi)部溫度的空調(diào)系統(tǒng)。能自動記錄盔甲的操作信息。頭盔顯示器可以為穿戴者提供傳感器陣列獲取的環(huán)境信息，增強(qiáng)態(tài)勢感知能力。

數(shù)據(jù)和控制：機(jī)載多核實施處理器，支持持續(xù)改進(jìn)的開源結(jié)構(gòu)，機(jī)載數(shù)據(jù)儲存器。

通信系統(tǒng)：高寬帶通信系統(tǒng)，可拆卸的應(yīng)急通信裝置。

TALOS項目由56家公司、18個政府機(jī)構(gòu)、13個大學(xué)和10個國家實驗室共同參與，其中包括包括特效模型生產(chǎn)商Legacy Effects、小型科技公司以及雷神（Sarcos / Raytheon）、洛克希德·馬丁（Ekso / Lockheed Martin）和通用動力（General Dynamics）等國防軍工企業(yè)。

該項目的研究目標(biāo)已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)科幻中的設(shè)定場景了：不僅具備防彈、助力、夜視、增強(qiáng)現(xiàn)實的能力，還能監(jiān)測生命體征、自動噴藥等。

不過，在太平洋彼岸的日本，則又是另一番景象了。

【作者介紹】動脈網(wǎng)，關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療創(chuàng)業(yè)，以媒體的視角，站在新技術(shù)重塑醫(yī)療保健領(lǐng)域的當(dāng)下去觀察行業(yè)脈動。

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