【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(wú)數(shù)曾經(jīng)的科幻作品內(nèi)容在今天已經(jīng)成為了事實(shí)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(dòng)物的外骨骼一樣成為身體的附加式“人工器官”呢？

在美國(guó)猶他州一座秘密山地實(shí)驗(yàn)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(dòng)，此時(shí)，機(jī)械外衣一下子獲得生命，配合著他的一舉一動(dòng)。他舉起他的拳頭，做拳擊動(dòng)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(gè)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(shí)，他放下杠鈴。從前的實(shí)驗(yàn)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?yàn)槠＞耄菂挓?/p>

“嘿，兄弟，你這穿的是什么，這么厲害？”
“哦，沒什么，只是之前無(wú)聊研發(fā)的一個(gè)叫XOS的機(jī)甲系統(tǒng)而已，用來玩玩打發(fā)下時(shí)間，科研太無(wú)聊拉。”
“......”

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(huì)飛行，能自動(dòng)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(huì)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(shí)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(gè)詞匯來指代。外骨骼（Exoskeleton）一詞，源自節(jié)肢動(dòng)物門的動(dòng)物。

一般來說，生物界通常把具備堅(jiān)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(duì)脆弱柔軟的軀體和臟器。我們通常能夠見到的螃蟹、蝦等動(dòng)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(shí)我們?nèi)祟愒缇颓О倌昵熬蛷膭?dòng)物身上發(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(duì)柔弱的身體。

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

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

再次把時(shí)光針撥到1890年的時(shí)候，當(dāng)時(shí)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(jiǎn)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(dòng)它，并不能提供額外的動(dòng)力，所以它仍算不上真正意義上的動(dòng)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(jià)值。于是，更加成熟的構(gòu)思與創(chuàng)造在20世紀(jì)的美國(guó)開花結(jié)果。

到了1917年的美國(guó)，當(dāng)時(shí)正處于工業(yè)革命時(shí)期，社會(huì)一片繁榮。發(fā)明家萊斯利·凱利提出了一部名為”Pedomotor“的步動(dòng)輔助裝置，由蒸汽驅(qū)動(dòng)的它奠定了現(xiàn)代動(dòng)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(shí)際使用時(shí)穿戴者必須背負(fù)一臺(tái)小型蒸汽機(jī)，且Pedomotor的設(shè)計(jì)過于簡(jiǎn)單，無(wú)法完美地隨人體完成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變形，最終被無(wú)奈擱淺。

（pedemotor 外骨骼）

近半個(gè)世紀(jì)過后，我們將目光放在1958年。此時(shí)正值冷戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)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(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署——DARPA，就是這個(gè)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(xiàng)目。

DARPA成立一年后，被譽(yù)為“美國(guó)科幻黃金時(shí)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(huì)想到，這種聽起來似天方夜譚的動(dòng)力裝甲在一夜間深深植根于美國(guó)發(fā)明家的思維中。

在1960年代的時(shí)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(dòng)力外骨骼研發(fā)，也使得動(dòng)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(wú)法維持長(zhǎng)久的續(xù)航，在那個(gè)相對(duì)保守的年代，被認(rèn)為噱頭大于實(shí)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(shí)，軍隊(duì)也在構(gòu)想自己的“鐵人”。當(dāng)時(shí)美國(guó)陸軍武器研究者謝爾蓋·扎魯?shù)履岚l(fā)表了一份報(bào)告，描述他設(shè)計(jì)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(shí)還不存在實(shí)現(xiàn)這個(gè)構(gòu)想的技術(shù)，除了少數(shù)非軍事設(shè)計(jì)外，真正超能外衣的前景渺茫。

直到1965年，美國(guó)軍方和通用公司聯(lián)合研發(fā)了一部名為“哈迪曼(Hardiman)”的動(dòng)力外骨骼裝置。哈迪曼通過液壓和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(wú)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(shí)間來到實(shí)際之交的2000年，計(jì)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(gè)領(lǐng)域，此時(shí)美帝一擲千金，開始全面布局機(jī)甲制造。

2000年的時(shí)候，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）開始了為期7年投資7500萬(wàn)美元的機(jī)械外骨骼研究計(jì)劃（Exoskeletons for Human Performance Augmentation，EHPA）。那時(shí)，少數(shù)機(jī)械外骨骼支持者認(rèn)為（包括美國(guó)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(shí)。

但是Darpa野心勃勃的目標(biāo)誰(shuí)看了都覺得不切實(shí)——

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(chǎng)。他們要求這套機(jī)械外衣能附帶裝甲，讓敵人炮火對(duì)它無(wú)可奈何。他們甚至希望它能幫助士兵跳得更高。

啟動(dòng)計(jì)劃前，DARPA咨詢的一些顧問立刻指出他們的構(gòu)想不切實(shí)際。初期負(fù)責(zé)Darpa鐵人計(jì)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(duì)它篤信不疑，另一半認(rèn)為它根本就是浪費(fèi)時(shí)間、金錢和資源?！蹦切娎渌娜瞬]有錯(cuò)，他補(bǔ)充說，“這確實(shí)是一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)。”

機(jī)械外骨骼將需要一套輕盈的動(dòng)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(dòng)作控制系統(tǒng)。它還必須行動(dòng)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(dòng)，及時(shí)地模仿他的每個(gè)動(dòng)作，即使是毫秒的遲疑也會(huì)造成負(fù)擔(dān)，讓士兵感覺像行走在水中一樣費(fèi)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(gè)輕微動(dòng)作，它的微處理器必須足夠強(qiáng)大，能把這些數(shù)據(jù)及時(shí)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(dòng)協(xié)調(diào)一致。

然而，2000年時(shí)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(shí)頭盔一樣，時(shí)機(jī)尚未成熟。

當(dāng)時(shí)加州伯克利大學(xué)接受了DARPA 5000萬(wàn)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(zhǎng)壽”的動(dòng)力外骨骼裝置之一。這款設(shè)備讓當(dāng)時(shí)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(shí)際。專注于提升穿戴者負(fù)重的它將設(shè)計(jì)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(shí)還能穿越復(fù)雜的地形。當(dāng)BLEEX的動(dòng)力不足時(shí)，佩戴者還可以將它從腿部拆卸下來，并折疊成一個(gè)規(guī)格化的背包，方便存儲(chǔ)與運(yùn)輸。實(shí)用性與便攜性兼具的BLEEX為動(dòng)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(guó)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(dòng)作靈敏度，同時(shí)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(dòng)作幅度和力度，通過電腦計(jì)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(shí)間僅有40分鐘。

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

2009年Berkeley Bionics發(fā)布了液壓傳動(dòng)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(dú)家授權(quán)給Lockheed Martin公司。

（HULC動(dòng)力外骨骼）

其實(shí)早在XOS問世的時(shí)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(dòng)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(wú)負(fù)重感的條件下以接近16公里/時(shí)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(shí)的超長(zhǎng)續(xù)航，還能夠完美同步士兵的復(fù)雜動(dòng)作，其中包括深蹲、匍匐等。

在2010年的時(shí)候，收購(gòu)了Sarcos的美國(guó)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(shí)和靈活，同時(shí)還降低了動(dòng)力的損耗。穿戴者可以完成上千次俯臥撐卻若無(wú)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(diǎn)突然轉(zhuǎn)移到了阿富汗一座隱蔽的碉堡里，4個(gè)背步槍的男人守衛(wèi)著一扇厚重生銹的大門。砰！一個(gè)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(dòng)，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(gè)氣急敗壞的大家伙。

門突然被撞開，一個(gè)金屬巨人沖出。它看似一個(gè)機(jī)器人，但是，在鐵甲內(nèi)，著名的武器設(shè)計(jì)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(yíng)地，打開手臂上火焰噴射器，將據(jù)點(diǎn)燒成火海。

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

在2012年底的時(shí)候，美國(guó)特種部隊(duì)海豹六隊(duì)在阿富汗東部解救一名美國(guó)醫(yī)生人質(zhì)時(shí)，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(dòng)新的外骨骼研究計(jì)劃——戰(zhàn)術(shù)突襲輕甲項(xiàng)目（Tactical Assault Light Operator Suit, TALOS）。

美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部把戰(zhàn)術(shù)突襲輕甲劃分成若干個(gè)功能模塊，對(duì)每個(gè)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(dòng)力盔甲系統(tǒng)。我們可以從中管窺一下未來單兵動(dòng)力盔甲的發(fā)展方向。

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

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

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(shí)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(cè)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(shì)感知能力。

數(shù)據(jù)和控制：機(jī)載多核實(shí)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(chǔ)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(xiàng)目由56家公司、18個(gè)政府機(jī)構(gòu)、13個(gè)大學(xué)和10個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)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?。‥kso / Lockheed Martin）和通用動(dòng)力（General Dynamics）等國(guó)防軍工企業(yè)。

該項(xiàng)目的研究目標(biāo)已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)科幻中的設(shè)定場(chǎng)景了：不僅具備防彈、助力、夜視、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的能力，還能監(jiān)測(cè)生命體征、自動(dòng)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(dòng)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(dòng)。

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