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打造真实版的铁甲超人Comments>>

发表于 2009-06-23 12:53 | Tags 标签:, ,

2008年的5月,一部由漫画改编的动作大片《钢铁侠》吸引了所有科幻迷的目光,也毫不客气地从全球观众的口袋中掏走了5亿8千万美元。影片男主角所拥有的那件无比强大的钢铁战衣更是令不少人魂牵梦萦。这套装甲不仅携带了多种新式武器,更能赋予穿着者超人的力量和飞行的能力。这不仅让我们联想到,如果类似的装备真的出现在战场上,将会组成一支多么可怕的队伍。事实上,早在上世纪六十年代《钢铁侠》的漫画问世之际,军方就盯上了类似的装备。英文称之为exoskeleton (外骨骼),而我更愿意将它叫做机器外甲。

失败的先行者

美国国防部对于开发这样一套能让士兵们在战场上实现“更高、更快、更强”目标的机器外甲一直颇感兴趣。1962年,美国空军曾让康奈尔大学的航空实验室就此装备做初步的研究,在提交的报告中,康奈尔大学设计出了一套有十四个关节的铠甲上衣,能让穿戴者拿起一千磅(约450公斤)重的物品。不过遗憾的是,这份设 计始终停留在蓝图阶段。

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【康奈尔大学设计蓝图】

第一次对于机器外甲的真正尝试由通用电气公司在上世纪六十年代后期进行。这套被称为“硬人”(Hardiman)的装备重达700公斤,共有30个由液压和电力驱动的活动关节。理想状况下,穿戴者的肢体动作能带动铠甲的内层运动,从而引导铠甲外层做出相应的动作。不幸的是,最终这套铠甲只有一只胳膊能动,而它的承重也只能达到自身重量的一半。“硬人”的失败意味着全盘复制人类的运动模式以及主从式控制方法无法有效地应用在机器服装上。

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【Hardiman】

继“硬人”项目折戟沉沙之后,八十年代中期洛斯阿拉莫斯国家实验室和九十年代初期美国军方研究实验室的机器外甲计划也都相继流产。基于当时的技术限制,这些失败的先行者们都遇到了一些根本性的困难:计算机的运行速度无法控制机器服装有效地跟上使用者的肢体运动;没有便携式的供能设备;驱动装置不仅过于缓慢,而且非常沉重。在很长一段时间内,“钢铁侠”被认为是不可能在现实生活中出现的。研究者们也将注意力从这些全套的机器外甲上转到了更具有实际应用的机械手臂上。

新一代的机器战士

不过,随着硬件技术的快速发展以及更快计算机、更小巧电源设备的出现,机器外甲又一次进入了人们的视野。2001年,在美国高级研究计划局(DARPA)的赞助下,加州的伯克莱大学、田纳西州的橡树岭国家实验室和盐湖城的Sarcos公司分别开始了对机器外甲的开发。DARPA的目标是为战士们设计一种可穿戴的机器外甲,能让士兵在双倍负重的情况下更快更久地行军,这种铠甲在提高力量和防御能力的同时又要保证灵活性,使穿着者仍旧能够匍匐穿过铁丝网或翻过战壕。三个团队的前期研究都取得了不错的成果,最终Sarcos公司的XOS雀屏中选,进入了最后的研究阶段。

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【Sarcos公司设计的XOS外甲】

虽然XOS还未最终亮相,目前的实验结果显示它正在一步步地接近DARPA的目标。XOS使用压力感应器来感知使用者的动作意图。安装在手或脚上的感应器可以读取压力数据,计算机分析出用户的动作意图并在使用者真正用力之前控制液压驱动的机械装备做出相应的动作。穿着XOS的实验者曾经连续500次举起200磅(90公斤)重的杠铃,而他最后放弃的理由不是疲倦,而是厌烦。

来自日本的HAL:军用还是民用?

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来自日本的HAL-5

2009年的5月,在国际机器人自动化大会(ICRA)上,我得以亲眼目睹最接近我们现实生活的机器外甲—由日本筑波大学山海嘉之(Yoshiyuki Sankai)教授开发的HAL-5。在这次会议上,这套装备也获得了本年度的IERA大奖,这是专为那些在机器人和自动化产品商业化方面发展不错的个人或团队而设置的奖项。事实上,山海教授早在2004年就成立了Cyberdyne公司,逐步将他十年来的研究成果推向市场。如今,这款名为HAL (Hybrid Assistive Limb)的机器服装已经是第五代产品了。

HAL-5的服装框架中含有镍、钼和一种曾用在零式战斗机机翼上的硬铝合金,表面覆盖塑料壳,硬度非常强。穿戴的时候是被绑在使用者身上的,全套服装重约23公斤,不过用户并不会觉得沉,因为它自身能够承担这部分重量。一些小型的直流电动马达被放置放在肩、肘、髋和膝盖部位,这些马达充当着机器服装的“肌肉”,能够为使用者的四肢提供动力支持。HAL-5的计算和通讯设备能够放置在腰间的一个小包中。而锂电池背包充一次电就能保证全套服装行动2小时40分钟。

HAL-5的传感系统由三部分构成,能够检测到机器服装和使用者的状况:放置在各关节部位的传感器能够判断各关节之间的角度;安装在足底的传感器能够在用户行走时监测出地板传回的力道;最为特别的还是紧贴在用户皮肤上的生物电流感应器。这种硬币大小的感应器被粘贴在用户肩部、肘部、髋部和膝盖部位附近的皮肤上。当用户想要挪动四肢,例如行走的时候,大脑会向相关部位的肌肉发送电脉冲,当这种电脉冲沿着肌肉纤维流动时,在相应的肌肤表面就会出现微弱的生物电信号,而HAL-5配置的感应器能够准确地识别这些微弱的信号,从而判断出用户的意图。

HAL-5的控制系统也由两部分组成。一部分与生物电流感应器相连,当感应器监测到生物号后,计算机马上就能分析出用户需要多大的力量,机器服装需要提供多少的支持力并控制相应的关节和部件做出适当的反应。所有的这一切,包括检测、分析和行动都在极短的时间内完成,通常比实际的肌肉活动还要快一点点。

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【想站起来—>HAL协助站立-->HAL协助前进—> HAL协助直立】

另一部分的控制系统则是与使用者的行动相连。不同的运动模式,包括从椅子上站起来、向前走、上下楼梯等,都被细分成一连串更小的基本动作并被储存起来。这样,机器服装与用户的行动能够保持同步,更加协调。这些动作还能针对不同的使用者被细化,从而符合单个用户独特的步法。这套控制系统特别适用于那些脊柱或者大脑有问题的残障人士,如果生物电信号无法被监测到,HAL-5会在使用者开始移动的时候自行启动,协助用户完成基本的行动功能。

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Seiji Uchida和他的穿着HAL-5的朋友

事实上,虽然HAL-5能够赋予正常人部分的“超能力”,山海教授最为看重的还是如何利用这套机器服装来帮助那些残障人士,如肌无力患者、中风病人以及脊柱损伤者。目前,这套机器服装已经在日本向部分残障人士出租,而从目前的实验来看,不少的患者在HAL-5的帮助下都部分地重获了行走的自由。2006年8月,骑在一位身着Hal盔甲的朋友背上,四肢瘫痪的Seiji Uchida“爬”到了距离瑞士阿尔卑斯山布来特(Breithorn)峰顶不到500米的高处。“今天,在这里,我又感到了第一次看到布来特山峰照片的那种震撼感。”在友谊和科技的双重帮助下,Seiji的梦想终于得以成真。而当我看到视频中从小就瘫痪的病人小心翼翼地摇晃着前行,中风患者又得以重新迈步,我深切地体会到了机器外甲中所蕴含的强大力量:不是影片中展示的那种上天遁地的超能力,而是让那些不幸的人们有机会体会到作为正常人的快乐。

2010年的5月,《机器侠2》又将卷土重来,在品味无所不能的铁甲超人带给我们乐趣的同时,也不妨关注一下我们现实生活中的机器外甲的发展。不管是战场上让人不寒而栗的新式装备,还是日常生活中让残障人士重获自由的神奇服装,离我们都会更近一步了。

本文已发表于《人民画报》

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41 Responses to “打造真实版的铁甲超人”

  1. mayu说道:

    显然,民用的铁甲显得更可爱。
    医学与物理终于可以在这里cross over得完美无缺。——然后医用器械这一行会是很有前途的职业。

    • Robot说道:

      与医疗产业的结合是现在机器人研究中最热门的方向之一了,当然军方的投入也一直不少,有时候觉得真是有点矛盾啊。

  2. 青儿说道:

    又一个沙发

  3. 披上松鼠皮说道:

    我的沙发。。。。被。。。被。。。抢了

  4. 披上松鼠皮说道:

    其实2年前我在一份报纸上已经看过这帮助肌肉萎缩和下肢有问题的人站立的装甲了

    • hulu说道:

      这是第五代 应该更先进一些,此外本田公司也开发了一个相似的辅助器械

    • Robot说道:

      HAL-3也不错,这套系列出来已经有一段时间了,主要的普及问题是价格、价格、价格。

  5. 青儿说道:

    穿上外骨骼,变胖些,爬回水里去!

  6. 青儿说道:

    穿上外骨骼,变螃蟹,爬回水里去!

  7. 零零说道:

    哎、、、为什么这类事情总是看不到中国的影子。。。

    • Robot说道:

      目前机器人研发方面,要赶上美国和日本还有待时日,只能脚踏实地地做。

      • yuwei0301说道:

        我们班有同学读研跟老师做这个,疑似就是传说中的骨骼服。。。

  8. Gavin说道:

    我读了这文章,感觉很过瘾。

  9. 小姬说道:

    好有趣哦~~确实过瘾。

  10. hulu说道:

    hal 看来很实用 能批量生产就好了

    • Robot说道:

      这次山海教授说有打算批量生产500-1000套,不过主要还是在日本国内,因为病人穿上后还要根据各人的情况调整参数什么的,要一个多月后才能完全合适。价格还是太贵了,一套大概要五万美元,月租也要600美元。

  11. JOrange说道:

    以后美国陆军改名英克雷算了。。。个个动力装甲。。。。

    • 普拉内托斯说道:

      我可不希望中美之间核战,是不是?
      毕竟废土有点危险

  12. 知道了说道:

    以前看过一个电影,是大鲨鱼奥尼尔主演的,最后他瘫痪的女朋友依靠机械轮椅获得了站立及行走的能力。和这个感觉有点像。

  13. 偷果果说道:

    好有趣啊~~~~~我相信科技的进步和正确的利用科学,会让人们的生活变得更美好。

  14. 会飞的长颈鹿管理员拇姬说道:

    本文已发表于《人民画报》
    好强啊!

  15. xmxkkk说道:

    未来的战争,就没有人伤亡了。就是一堆一堆的机器人。

  16. GE说道:

    可以人在机器里,用意志操纵就好了

    • 猛犸说道:

      那就是EVA了吧……

    • Robot说道:

      HAL与我列出的其他几个最不同的地方我觉得就是使用了“肌电流感应器”,相比起来,已经有点类似于意志操作了,只是不是直接从脑部神经读取数据而已。

  17. Metaverse说道:

    还是把马达作为动力系统的核心啊。。。咋不考虑下铁甲下换成跳蚤肌肉那样结构的组织(甲壳下的生物……EVA?)

  18. 披上松鼠皮说道:

    我游戏玩多了。。对这这种动力装甲见怪不怪。

    • 爱吃坚果说道:

      见到现实版的还是挺激动的,说不定他们已经在研发直接从大脑读取命令的机器了。我们国家的科研机构应该托个日本朋友买一两只回来研究研究,就像他们对待新技术一样~~~

  19. Office2003说道:

    可以人在机器里,用意志操纵就好了

    不知道什么时候可以实现啊.

  20. Licht说道:

    其实各种机械本身作为工具,就是人类肢体的延伸。学机械的我一直在想,机器发展到极致的时候一定可以和生命体有机融合或接合,也许到时,生理上的人造人也不远了。

  21. Lycan说道:

    钢铁侠其实还有一个更重要的技术,就是那个电池

    • Robot说道:

      恩,能源供给一直是机器人(不仅仅是外骨骼)的大问题。Hal-5比Hal-3明显的一个地方就是电池体积的缩小,Hal-3是有个比较大的电池背包的,不过还是只能用几小时。我们系另外一个小组的水下机器人有用无线充电的,我去调查一下回头给大家介绍。

      • Licht说道:

        无线充电?微波么?远程还是近距离?

        • 爱吃坚果说道:

          08年无意间看到过:房间内用无线电波收发装置对一盏25瓦(好像是这个瓦数)灯泡进行供电的实验,实验者还只是在校生。

          不知道辐射量如何。

  22. 若飞说道:

    太寒了……

  23. 玫瑰说道:

    这样说来全世界在没瘫痪病人了

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