钢铁侠战衣：单兵外骨骼系统

寂静天花板

外骨骼(全称动力外骨骼或动力服)由骨骼模样的框架组成，是可以让人穿上的机器。这个装备通过外置发动机、电池或者液压系统为人体提供额外能量供四肢运动，以增强穿戴者的力量和耐久力。
外骨骼一开始就与军事用途有着紧密联系。军方研制外骨骼不但希望能增加士兵在艰苦地形和战场的持续作战能力，而且还希望外骨骼能够有更大的负重能力，带动士兵的外部防护装甲，因此军用单兵外骨骼的发展重点是具有防护性能的动力装甲。大家熟知的“钢铁侠”，实际上就是军事专家梦寐以求的动力装甲。当然现在的技术距此还有相当遥远的距离。
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2 E) J7 r, w: D1 N$ x. l7 O除军事用途外，外骨骼还应用于医疗方面，主要是帮助一些伤残人士获得行动能力，也被称为步行复原机器人。实际上医学上的用途也和军事用途有着密切联系，因为军队作战会导致大量伤残发生，一个有效的外骨骼系统对于恢复部队的士气，缓解对社会的压力都有重大作用。
. a' d  W) }7 M2 B4 `最早外骨骼：轻松举起150公斤但自重达680公斤
9 ?8 Q+ e. s5 C, ?' t6 t0 j最早的外骨骼可以追溯到1890年。当时一位叫尼古拉斯·亚根的俄罗斯人发明了一种用压缩空气包为动力的类外骨骼系统。1917年，美国发明家则开发了一种以蒸汽为动力的外骨骼。
& F5 D% f5 D! _7 z- V但真正意义上的外骨骼动力服在1960年由通用电气公司与美国军队开发，当时命名为Hardiman。穿着这套装备举起150公斤的物体就像举起6公斤的物体一样轻松。
不过这套服装不实用，因为它本身的重量就有680公斤，而且系统反应速度极慢，穿上它每秒只能走76厘米，只有平常人正常步速的一半。

在经历了上世纪60年代的笨重之后，外骨骼在1986年后进入快速发展阶段。当时一位名叫蒙蒂·里德的美国人设计了一种叫“生命服”的外骨骼系统。蒙蒂曾是美国陆军游骑兵特种部队的士兵，但他在跳伞训练中背部受伤。
蒙蒂在医院恢复过程中，从著名的科幻小说《星河战队》中的“机动士兵动力服”概念获得启发，开发出了这一系统，并向军方做了汇报。2001年“生命服”1号诞生。

2005年，“生命服”12号创造了外骨骼步行的世界纪录：90分钟走完5.4公里，和正常人步行速度基本一致。现在，“生命服”已经发展到14号，一次充电能够走1英里、搬运92公斤物品。
: ^" r* V* V( S0 c, ~3 B目前，世界上各种生产或在研的外骨骼型号就有15个以上。除了美国以外，日本、欧洲也有很多企业和大学投入到外骨骼系统的研制。尤其是人口老龄化和低生育率问题异常严重的日本，对外骨骼技术有着异乎寻常的兴趣。日本佐川电子在2013年7月曾推出世界第一台商用化外骨骼动力服，价格约90万人民币，全球限量5台。

著名的电影《钢铁侠》中的天才发明家托尼·史塔克创造并使用了一套动力服，其匪夷所思的特性使其成为了最理想的单兵外骨骼。
钢铁侠的动力服主要由钛金属等合金为主要成分，形成一个有韧性但又极度坚实且能提供极高防御作用的外壳，因此这是一个具有强大防护性能的动力装甲。钢铁侠动力服最神奇的地方在于其动力推进系统。
根据资深动漫迷的分析，钢铁侠战衣的动力核心在于胸口的钯核心微电弧反应堆。这种反应堆不但能够驱动动力服在地面行动，而且可以驱动钢铁侠脚底下的离子发动机让史塔克上天入海，甚至在手中凝聚成离子炮来攻击。
3 ~& U* c  |2 e1 D按照电影中的情节估算，钢铁侠动力服的反应堆每秒能产生大约30亿焦耳的能量，堪称发动机中的神器。更神奇的是，钢铁侠的动力系统还能与金属战衣互相作用，在战衣表面形成一种力场，实现盔甲的充能、防护和自我修复。
此外，钢铁侠战衣中还有一套人工智能系统——“贾维斯”，辅助钢铁侠的战斗。用网友的话来说，就是“钢铁侠的战衣机械设计水平变态、材料变态、控制系统变态、能量更是极其变态”。
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0 y4 T: C. N2 |$ E" f* o# G钢铁侠战衣被评论为“机械设计水平变态、材料变态、控制系统变态、能量更是变态”。而这几个方面，恰恰也是外骨骼系统研制的主要难点。
1 _- J& O, C4 P首先看材料
, T/ M. z2 }, a! M1 d3 G- B早期的外骨骼是用钢和铝金属制作的，但造成系统自重过大，使外骨骼的动力在驱动人体之外还要克服自重。因此现在的研制都在降低自重，多使用复合材料、钛合金等轻质材料来让能量效率更高。
其次是动作装置
正是这一部分让士兵获得更大力量。以前，液压动力筒因其动力输出较大、动作执行准确获青睐，但其缺点是重量过大，而且液压装置有可能泄漏。现在“动作装置”研发的重点转向小型或微型的永磁伺服马达。这种伺服马达能够组装成微小的组件来实现大力矩和高响应度的运动。
7 G% i: ~0 N- P. A* S第三是关节的灵活度
这涉及到外骨骼能够完成更多的战术动作，例如匍匐、跳跃等。这些动作对于人体关节来说轻而易举，但对于模仿人体关节的外骨骼来说就难度较大了。尤其是人体肩关节、胯关节、脊柱等部位，都是外骨骼模仿的难点。目前主流的外骨骼都是沿着人体的肩部、胯部和膝盖，设置外部球形接头，然后通过平行的连接杆实现连接。但在运动时，这些外部的人造关节和连接杆往往与人体的贴合度发生错位。现有的外骨骼系统虽然不干扰步行，但对使用者的弯腰仍有较大影响。
第四是控制系统
良好的外骨骼系统应该有一套精密的计算机人工智能控制系统，来控制外骨骼对人体的动作进行响应。如果响应速度过慢，动作效率低；而响应速度过快，则有可能给使用者带来伤害。由于人体不同关节动作速度有快有慢，因此外骨骼控制系统也必须能协调速度，让使用者感到外骨骼是一种助力而不是阻力。而且先进的控制系统能够发现并阻止使用者的错误动作，例如摔倒，这对于本身行动不便的伤残人士很重要。
7 D; w( z9 {6 m) S最后是电源动力
像钢铁侠那样拥有无所不能的反应堆，仅是电影中的幻想，现有动力输出较强的内燃机由于噪音、隔热等问题无法应用。因此，现在主流外骨骼系统均使用电池来驱动电动机。高容量的燃料电池是目前研究的重点，但也只能勉强满足需要。有些专家则设想，未来可以对外骨骼使用无线电能传输。
+ l4 u* f9 F5 w: |; C外骨骼发展走向何方？
- j6 e6 N3 q) `) L动力外骨骼系统作为单兵装备领域的新发展点，得到了军事大国的普遍重视。虽然军方不能期待单兵外骨骼能让士兵成为钢铁侠，但一个“士兵背负上百公斤装备、在高原山间健步如飞”的场景有着十足的吸引力。
6 y5 A$ r2 N. ~从21世纪十余年来外骨骼装备的发展看，实现这一目标有着不小的难度。以美军为例，在研制出几种单兵外骨骼系统后，还没有一种在战场上投入测试。因此，就目前技术发展看，单兵外骨骼系统很可能优先应用在非战斗领域，例如后勤运输、场站维护、装备修理等需要士兵进行大体力搬运的场合，来缓解士兵们的工作强度。
! N2 Z/ z" @8 S  y  Y' e! `另外，现有外骨骼虽然适用不了激烈的战场，但在军民融合的医疗领域仍有巨大价值。对于受伤士兵，外骨骼系统可有效帮助他们恢复行动能力乃至工作能力。

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