機械外骨骼

啟動計劃

在 曼哈頓神奇漫畫公司總部，《 鋼鐵俠》漫畫主編湯姆·布雷夫特對我簡短介紹了托尼·斯塔克：麻省理工學院畢業生、明星科學家/工程師、富有的繼承人、 花花公子、酒鬼。后來，壞蛋綁架了 斯塔克，脅迫他為他們制造一種致命武器。結果，他卻建造了一件金屬鎧甲。逃脫后，他 幡然醒悟，改進鎧甲，自己也從一個自私的天才變成真正的 超級英雄。

鐵人的速度超過噴氣飛機，可舉起1000噸重物，闖入重重設防的電腦。像是天方夜譚？當然，布雷夫特說，這才是幻想的魅力，“鐵人必須永遠走在現實之前，否則用漫畫標準他就成 化石了?！?/p>

1963年，當這個角色最早出現時，軍隊也在構想自己的“ 鐵人”。同一年，美國陸軍武器研究者謝爾蓋·扎魯德尼發表了一份報告，描述他設計的可穿戴機器外衣，它將使穿著者獲得綠巨人式的力量，但是當時還不存在實現這個構想的技術。除了少數非軍事設計外，真正超能外衣的前景渺茫，直到2000年，Darpa開始為期7年投資7500萬美元的機械外骨骼研究計劃。那時，少數機械外骨骼支持者認為———包括美國陸軍上校杰克·奧布瑟克———技術終于追趕上構想。從1995年起，奧布瑟克就協助推進外骨骼研究。他說，隨著感應器日益變得更小，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械外骨骼有可能成為現實。

但是Darpa野心勃勃的目標誰看了都覺得不切實。它想要一種 神奇的機器，它能讓士兵連續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；能夠背著兩名負傷的戰友輕松撤離戰場。他們要求這套機械外衣能附帶裝甲，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?？偠灾?，他們想要漫畫中的鐵人。

啟動計劃前， Darpa咨詢的一些顧問立刻指出他們的構想不切實際。初期負責Darpa鐵人計劃的康沃爾大學工程師伊夫拉辛·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，他補充說，“這確實是一項艱巨挑戰?！睓C械外骨骼將需要一套輕盈的動力系統，能夠連續幾天提供電能；它還需要小巧強大的人工肌肉；一套復雜的動作控制系統。它還必須行動靈敏、反應迅速。

外骨骼必須成為士兵的機械影子，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擔，讓士兵感覺像行走在水中一樣費力。這套機械外衣的感應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大，能把這些數據及時轉換成指令傳送給機械四肢，使它們與內部穿著者的行動協調一致。

解決這些問題，琢磨出如何將這一系統裝進一臺兼具速度、靈敏、力量、耐力的機器，需要一個像托尼·斯塔克式的天才。但是，這個人并非武器設計者，而是一個以建造機械恐龍為職業的人。

機器人大師

史蒂夫·雅各布森的簡歷豐富多彩。過去35年里，他的作品包括一只80噸重的機器恐龍， 貝拉吉奧賭場的噴泉。可是，他本人看上去更像一位和藹可親的教授而不是科學狂人。他高個子、寬肩、腰板筆直、灰白頭發。在介紹XOS前，他先領我去參觀他所謂的“恐怖隧道”。從外面看，很容易被人當做牙醫診所，但這個洞穴式的房間其實是薩科斯公司總部，也是猶他大學工程學院的研發部。他經常在這里教學。雖然曾經為不少出名挑剔的顧客造機器人———他暗示 迪士尼公司和美國軍方一樣苛刻———在心里雅各布森仍然是一個學術研究者。他把自己的頭腦叫做能一起玩耍的朋友，他似乎更關心問題的解決，而不是解決方案最終的應用。經過一個會打乒乓球的人形機器人后，他停留在一對會唱歌的機械犀鳥面前。它們是為當地一家酒店建造的。難度在于讓它們的動作栩栩如生，宛如真鳥。他說，“我們只接我們想做的活，因為它們能引起我們的興趣。”

他 侃侃而談，話題從工程學轉到節能生物系統（用胡蘿卜為動力的人！）他的健談可能給人誤導。實際上，他是個喜歡保密的人，很少接受媒體采訪，甚至不愿意泄露他的年齡。參觀的時候，他指著一個無人操作小型地面車輛（外骨骼腿部的一種新設計）興奮地講解起來。末了他叮囑我不要在文章中提到這東西。我想他的顧慮可能因為好多個項目由軍隊資助，另一方面，他也像個不愿意透露太多秘密的魔術師。

薩科斯的研究項目———也包括假肢和 納米馬達———似乎五花八門，毫無規律。但是，伊夫拉辛·加西亞說，正因為興趣廣博，使 雅各布森成為接受外骨骼挑戰的最理想人選。他在軟件和機械工程方面都已證明自己的能力，更難得的是，他還能根據需要不斷發明新東西?！八茏约涸O計傳動裝置；能設計控制系統；能設計一臺機器和它的所有零件。” 加西亞說。這樣的 全能天才絕對是設計XOS所需要的。

“設計像外骨骼一類東西時，”雅各布森說，“有25個亞系統，完成它們才能繼續下一步。雖然兩大主要設計目標是力量和耐力，但是，它還必須能干75樣不同的事情。”在他設計的所有機器人中，XOS由于挑戰最大，問題最多，顯然是他最喜歡的作品，他視之為自己的“兒子”?！捌渌亩紱]有如此宏偉的目標。其他的都不需要如此完備獨立的系統，不需要達到這樣的力量、速度、耐力和靈敏度。

外骨骼的誕生

2000年，薩科斯申請Darpa投資。 雅各布森認為他找到了Darpa懸賞解決問題的答案。這個問題是如何讓操作者與機器人互動。為證實自己的直覺，雅各布森請公司攝影師喬恩·普萊斯和他的女兒一起幫他做個實驗。

這個實驗讓 普萊斯扮演外骨骼，他的女兒扮演內部操作者。她背對父親，站到他腳上，她的腳趾壓在他的腳趾上。他們握著手幫助平衡。她開始朝前行走。普萊斯的任務就是和女兒保持同步，讓自己的腳始終保持在她腳下。幾分鐘后，他們的行動宛如一人。他女兒完全掌握決策———走多快，什么時候轉彎———普萊斯只是一步一步地努力模仿她。

該演示向雅各布森證明，只需要幾個接觸點———比如腳和手———一臺聰明的機器就能明白綁在它身上的操作者的動作意圖，并配合行動。理論雖然簡單，實踐卻相當困難。在完成XOS的過程中，雅各布森和他的小組重新設計了微型傳動裝置，改進了壓力感應器，發明了更高效的液壓閥門，甚至設計了機器人的鋁腳板。但是，被設計者叫做“掃清道路”的控制系統才是把所有零件整合一體的關鍵，是把他設計的又一個機器人提升到“超人外衣”的核心。曾親身試穿XOS的奧布瑟克完全贊同：“稍微負重，人體就很容易疲勞。”但是，XOS的控制系統讓人體負擔減輕到接近零。

正是這個控制系統使演示操作員 詹姆森能連續50次舉起200磅杠鈴，心率卻不加快。當他從架子上拉下杠鈴時，手上的感應器立刻檢測到扭矩的變化。假如沒有外骨骼幫助，感應器將顯示，他每只手試圖拉下100磅重量。但是，雅各布森解釋說，該系統的目標是讓這些感應器感受的壓力接近于零，如此才能讓XOS發揮作用。

那些手上的感應器以每秒幾百次甚至幾千次的速度把測量到的數據傳給中央處理器。這一系統把數據輸入一系列計算外骨骼手臂、腿和背部方位和運動的公式。最終認識到 詹姆森想要把手放下，計算出要模仿他的動作，每個關節內的每條人工肌肉需要如何運動。詹姆森從未感到一點兒負擔，因為在他真正用力前，系統已經指揮機械手臂代為拿下 杠鈴。在舉動練習后，他卸下XOS，毫無喘氣跡象。我問他感覺如何。“很好，”他說著聳了聳肩。

詹姆森演示的XOS大約是第4版。 雅各布森帶我參觀一個房間，里面，前3套機械外衣原型像木偶一樣掛在架子上。讓我立刻聯想到鐵人的“裝甲廳”——— 斯塔克保管他的鐵甲衣的房間。第一件機械衣建造于2002年，沒有動力。薩科斯小組建造它的目的，是證明外骨骼能像人體一樣自如行動。雅各布森把一名工程師綁在衣服內，讓他嘗試各種復雜動作，比如踢球、跑步、爬進汽車 駕駛室。通過這一系列實驗，他們證實在恰當的地方采用了恰當關節。

讓這些關節以恰當的速度和力量開合則比較困難。2003年，薩科斯開始用 水壓驅動傳動器做人工肌肉。這一方法并非他首創。事實上，另一位外骨骼研究者認為，XOS對水壓裝置的依賴最終將導致它的失敗。這位不愿透露姓名的工程師沒有親眼見過XOS，只是在YouTube上見過一個新聞短片。他說，水壓裝置太耗電。他認為，電傳動器比較好，因為它們消耗能量與行動相符。但是，雅各布森不耐煩地反駁了這種批評?！澳阆矚g你的汽車剎車嗎？你是否希望你乘坐的 飛機著陸系統正常工作？它們都是水壓的。”之后他又補充說，他已經解決了能量浪費問題。但是他不愿解釋細節，只是說薩科斯重新設計了控制液體流動的閥門，使之只在需要的情況 下才啟動，所以在機械衣運動的情況下才消耗能量。

雖然在舉重項目上令人刮目相看，XOS并沒有達到 Darpa的全部目標。它不能使你騰空灌籃，不能幫你跑得更快，還不能把你變成 赫拉克勒斯（ 大力神）。但是，奧布瑟克說，Darpa當初的目標之一就是看它開列的愿望清單上是否有一項能夠實現。在3個參加該項目的團隊中（薩科斯、奧克里奇國家實驗室和加州大學伯克萊分校），XOS于2005年脫穎而出，最接近五角大樓構想的，成為美軍批準進入下一階段研究的全身外骨骼。薩科斯已經獲得陸軍1000萬美元經費，覆蓋兩年研究。

詹姆森再次穿上XOS，演示放松鍛煉。我看著這套150磅重的機器外衣像影子一樣模仿他的每個動作，而它們之間只有6個關節互相接觸，想象到秒在每個感應器和 中央處理器之間流動的海量數據，眼前的情景精彩程度不亞于《鋼鐵俠》影片中的特效。我幾乎忍不住設想詹姆森飛身沖破房頂。但是，這不可能發生。要沖出洞穴，首先得切斷連接XOS的電線。

競爭者

外骨骼研究者的世界狹小、秘密、不乏明爭暗斗。雖然，可能并不了解對手裝置的工作原理，仍然會不失時機地冷嘲熱諷。最常見的攻擊方法是，“你問他打算怎么提供動力?！盭OS和美國實驗室中其他兩套比較領先的外骨骼試圖從不同的角度攻克這個難題。雅各布森決定，首先建造一套相當能干的衣服，然后再鉆研如何給它提供4至24小時動力（Darpa提出的最低動力要求）。在 我所見的所有演示中， 詹姆森和XOS都連接著一個 水力泵，通過它從外部電源獲得電能。這套衣服可以用電池驅動，但是每次只能工作40分鐘。另外兩位外骨骼研究者———麻省理工學院的休·赫耳教授和加州大學伯克萊分校的哈馬甬·卡茲魯尼———已經開始解決動力問題。

赫耳正試圖建造一臺腳力驅動的機器，盡可能節省能源———啟動時只需2瓦特，相當于便攜收音機的耗能———但卻能支持穿戴者所背負80磅重量的80%.設計由于會影響穿著者的步態，穿上后消耗能量比沒有穿時略多。但是，赫耳相信，在不久的未來，他能夠改進機械結構，讓機器最終幫助節省而不是消耗穿著者的體力。最終，他設想這套裝置被用于娛樂，周末時，人們穿著它去爬山，奔跑一天也不覺得累。如果說赫耳的設想還比較遙遠，卡茲魯尼則向我暗示，在解決動力方面，他已經走到一半。

卡茲魯尼說他的“人載重器”（ HULC）下肢外骨骼可以連續工作20小時。它使穿著者能背負100磅重物，但卻少消耗15%的氧氣。

卡茲魯尼的裝置還不能對外演示。他只肯透露該系統的原理類似混合動力汽車?；旌蟿恿囖D化剎車產生的能量用于給電池充電。HULC利用步行者換腳時地面傳回的能量。行走這一動作本身就足以產生源源不斷的動能。他已獲得國家標準和技術學院提供的200萬美元經費，用于改進系統。最終， HULC將幫助有行動障礙的人恢復行走?！斑@不是一臺 戰爭機器，”他說，“我們的機器可能替代輪椅。”

XOS最有力的競爭者也是一臺醫療設備，但是位于太平洋彼岸的日本。2004年日本機器人專家山海嘉之創建了一個叫Cyberdyne的公司（和電影《終結者》中導致 機器人革命的公司同名），推銷他的全身機械外骨骼HAL-5.它沒有采用XOS式的壓力感應器，而是把感應器附著到穿著者身上，接收他（她）的肌肉信號，以確定他的行動意圖。這套機械外衣的控制系統能夠學習、模仿穿著者的自然姿態。這意味著，至少需要30分鐘時間，兩者才能協調一致———不能指望一穿上就行動自如。但是，HAL-5的主要用途是康復治療輔助工具和護士的助手，所以半個小時的培訓時間不構成問題。穿上這套電池驅動的大力服后，護士們能輕松抱起粗壯的病人，仿佛抱小孩一樣輕松。山海嘉之已開始將HAL-5出租給顧客。

掙脫束縛

在《鋼鐵俠》漫畫中， 超級英雄被打倒，躺在敵人老巢的地板上，頭盔內的顯示器向他通報糟糕消息———電快用完了。但是仍然還有希望。他把手指插進混凝土地板，找到一條電線，迅速完成充電。

不幸的是，在現實世界，外骨骼充電要麻煩得多。因此，戰場上的第一個XOS甚至可能是連接電纜的。奧布瑟克設想，這個原始版本更可能是一名工兵而非戰士。連接上軍艦或軍車上的電源后，XOS可幫助一名士兵迅速從裝載重武器的直升飛機上卸貨，或者修復履帶斷裂的坦克。雖然美國陸軍希望在2009年前，在戰場上實驗有線版的XOS，雅各布森和同事們仍在緊張研制自帶電力版。

今年夏天，薩科斯將和一家引擎設計公司合作，開發一臺能夠連續幾小時給XOS供電的發動機。此外，雅各布森不愿透露更多。他更愿意談論另一個更有意思的挑戰———與其建造強大發動機，不如減少XOS的能源胃口。

雅各布森給我演示了一臺新的節省能量的機械腿，它模仿人腿驅動方式設計。行走時，我們的髖部產生了最大部分能量，當腿超前邁時，膝蓋和其部位的小肌肉完全放松，確保我們的腳落到地面理想的位置。這種自由擺動技巧相當節省能量?？ㄆ濘斈岷秃斩呀洶阉O計進各自的下肢外骨骼中。雅各布森正將它設計進未來版本的XOS.“下一步，”他說，也許在幾年后，“將實現用1至3馬力實現行走的目標?！贝藭r只需要一個便攜電池組就能提供持久動力。

雅各布森把今天的版本看成一個基礎模型，最終它將改造成各種版本，執行不同任務，無論是在醫院里還是戰場上。未來的模型甚至可能完全自動?！澳阕叱鋈?，告訴它，‘你自己走去那幢大樓吧，因為我懶得走’?！?/p>

后來，走過薩科斯公司大廳時，我看見平板電視上正放映用動畫片描繪的未來XOS.在一個片段中，穿著XOS的士兵肩扛導彈，飛身跳過高墻，甚至能做優雅的后空翻。雖然包裹在機械骨骼中，他們看上去像橄欖球側衛一樣靈活。他們看上去像鐵人。