机械外骨骼
机械外骨骼
机械外骨骼，类似昆虫的外骨骼那样，能穿在人身上，给人提供保护、额外的动力或能力，增强人体机能，如使腿残疾的人能自己上楼，让士兵能健步如飞、无障碍奔跑且不会疲劳、不会受伤等等。电影《钢铁侠》中的钢铁衣就是机械外骨骼的典范，《异形》、《黑客帝国》中也出现过机械外骨骼。
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在漫画中，铁人是披挂铁甲，力大无穷的超级英雄。建造无坚不摧、刀枪不入的铁甲士兵也是五角大楼的梦想。在军队资助下，美国犹他州一所秘密实验室里，一位天才工程师正在悄悄制造他的铁人。这个“铁人”其实是一件机械外衣，简称XOS，是迄今最先进的外机械骨骼，穿上它后，任何人都能轻松举起200磅重物，仿佛拿起一根筷子，连续举重500下，却丝毫不感觉疲劳。或许，不久的将来XOS将在战场上大派用场，让五角大楼梦想的铁甲超级士兵变成现实。
阿富汗。一座隐蔽的碉堡。4个背步枪的男人守卫着一扇厚重生锈的大门。砰！一个巨大的拳头从里面锤打大门。砰！猛烈的撞击，铁门出现凹痕。门猛烈震动，铰链脱落。卫兵畏缩，后退。要从门后冲出来的东西必然是个气急败坏的庞然大物。
门飞开，一个金属巨人冲出。它看似一个机器人，但是，在铁甲内，著名的武器设计师托尼斯塔克操纵这头金属怪兽。子弹被铁甲反弹回，几乎不留痕迹。他一拳把卫兵打倒在地，怒视周围的敌军营地，打开手臂上火焰喷射器，将据点烧成火海。
美国犹他州。一座秘密山地实验室。软件工程师雷克斯詹姆森穿上一件金属机械外衣。他套上铝靴，捆紧腿上和腰间的皮带，背上背包，手臂伸进“袖子”，握住操纵杆。看上去比穿一件外套复杂不了多少。
然后他开始移动，此时，机械外衣一下子获得生命，配合着他的一举一动。他举起他的拳头，做拳击动作，左右脚交换着单脚跳跃，仿佛拳王阿里，虽然穿着150磅的铁外衣，看上去却很轻松。他能轻易把旁边的程序员倒在地上，或者推翻一张桌子———但是更让人惊奇的是，他能整天这样做。为了展示他超人般的耐力，他走向一个放杠铃的架子，举起负重200磅的杠铃。然后，他又举了一次，又一次。50下时，他放下杠铃。从前的实验中，他曾连续500次举起200磅重杠铃。最后之所以放弃，并非因为疲倦，而是厌烦。
上面描述的两个场景一个是幻想的，一个是真实的，两者之间的差距正在缩小。后者叫XOS，很可能是目前世界上最先进的机械外骨骼，由史蒂夫雅各布森和他的萨科斯工程师团队研制。萨科斯是雅各布森于1983年创建的机器人技术公司，不久前被美国国防工业巨头雷神公司收购。至于那个使用喷火枪的铁皮怪兽则是好莱坞新片《钢铁侠》的主角。该片即将于5月2日首映，根据同名超级英雄漫画改编，主人公是一个叫托尼斯塔克的天才发明家，他给自己造了一件机械外衣，从此获得非凡的超能。铁人在漫画中生活了40多年，第一次被搬上银幕。影片放映的时间实在再恰当不过。漫画中神奇的机械外衣不仅仅是绘在纸上的美梦，在现实生活中第一次可以找到类似的东西。
过去7年，萨科斯的工程师开始着手实现军队40多年的梦想———用机械手段把士兵变成力大无穷的超人。凭借五角大楼国防高级研究计划署（Darpa）投资的几百万美元，雅各布森和他的团队终于开始让人工肌肉、控制系统和外衣结合。不久，这样的机械外衣可能彻底改变士兵、渔民和残疾人的工作生活。虽然仍然存在困难需要挑战———比如动力问题———但是，萨科斯的XOS和穿着者配合得天衣无缝，好像合二为一，连铁人漫画绘制者阿迪格拉诺夫在观看XOS演示视频后也惊讶万分：“我不知道现实已经如此接近了。”除了没有飞行工具之外，他补充说，“那就是‘铁人’。”
从漫画到机器
在曼哈顿神奇漫画公司总部，《钢铁侠》漫画主编汤姆布雷夫特对我简短介绍了托尼斯塔克：麻省理工学院毕业生、明星科学家/工程师、富有的继承人、花花公子、酒鬼。后来，坏蛋绑架了斯塔克，胁迫他为他们制造一种致命武器。结果，他却建造了一件金属铠甲。逃脱后，他幡然醒悟，改进铠甲，自己也从一个自私的天才变成真正的超级英雄。
铁人的速度超过喷气飞机，可举起1000吨重物，闯入重重设防的电脑。像是天方夜谭？当然，布雷夫特说，这才是幻想的魅力，“铁人必须永远走在现实之前，否则用漫画标准他就成化石了。”
1963年，当这个角色最早出现时，军队也在构想自己的“铁人”。同一年，美国陆军武器研究者谢尔盖扎鲁德尼发表了一份报告，描述他设计的可穿戴机器外衣，它将使穿着者获得绿巨人式的力量，但是当时还不存在实现这个构想的技术。除了少数非军事设计外，真正超能外衣的前景渺茫，直到2000年，Darpa开始为期7年投资7500万美元的机械外骨骼研究计划。那时，少数机械外骨骼支持者认为———包括美国陆军上校杰克奥布瑟克———技术终于追赶上构想。从1995年起，奥布瑟克就协助推进外骨骼研究。他说，随着感应器日益变得更小，功能更全面，处理器速度加快，他和其他支持者有理由相信机械外骨骼有可能成为现实。
但是Darpa野心勃勃的目标谁看了都觉得不切实。它想要一种神奇的机器，它能让士兵连续几天拖着几百磅重物奔跑，却不觉疲惫；它能让士兵灵活操作通常需要两人驾驭的武器；能够背着两名负伤的战友轻松撤离战场。他们要求这套机械外衣能附带装甲，让敌人炮火对它无可奈何。他们甚至希望它能帮助士兵跳得更高。总而言之，他们想要漫画中的铁人。
启动计划前，Darpa咨询的一些顾问立刻指出他们的构想不切实际。初期负责Darpa铁人计划的康沃尔大学工程师伊夫拉辛加西亚说，“我询问的人之中，一半对它笃信不疑，另一半认为它根本就是浪费时间、金钱和资源。”那些泼冷水的人并没有错，他补充说，“这确实是一项艰巨挑战。”机械外骨骼将需要一套轻盈的动力系统，能够连续几天提供电能；它还需要小巧强大的人工肌肉；一套复杂的动作控制系统。它还必须行动灵敏、反应迅速。
外骨骼必须成为士兵的机械影子，能够读懂他的一举一动，及时地模仿他的每个动作，即使是毫秒的迟疑也会造成负担，让士兵感觉像行走在水中一样费力。这套机械外衣的感应器必须能够以每秒几千次的速度读懂施加在它全身的每个轻微动作，它的微处理器必须足够强大，能把这些数据及时转换成指令传送给机械四肢，使它们与内部穿着者的行动协调一致。
解决这些问题，琢磨出如何将这一系统装进一台兼具速度、灵敏、力量、耐力的机器，需要一个像托尼斯塔克式的天才。但是，这个人并非武器设计者，而是一个以建造机械恐龙为职业的人。
机器人大师
史蒂夫雅各布森的简历丰富多彩。过去35年里，他的作品包括一只80吨重的机器恐龙，贝拉吉奥赌场的喷泉。可是，他本人看上去更像一位和蔼可亲的教授而不是科学狂人。他高个子、宽肩、腰板笔直、灰白头发。在介绍XOS前，他先领我去参观他所谓的“恐怖隧道”。从外面看，很容易被人当做牙医诊所，但这个洞穴式的房间其实是萨科斯公司总部，也是犹他大学工程学院的研发部。他经常在这里教学。虽然曾经为不少出名挑剔的顾客造机器人———他暗示迪士尼公司和美国军方一样苛刻———在心里雅各布森仍然是一个学术研究者。他把自己的头脑叫做能一起玩耍的朋友，他似乎更关心问题的解决，而不是解决方案最终的应用。经过一个会打乒乓球的人形机器人后，他停留在一对会唱歌的机械犀鸟面前。它们是为当地一家酒店建造的。难度在于让它们的动作栩栩如生，宛如真鸟。他说，“我们只接我们想做的活，因为它们能引起我们的兴趣。”
他侃侃而谈，话题从工程学转到节能生物系统（用胡萝卜为动力的人！）他的健谈可能给人误导。实际上，他是个喜欢保密的人，很少接受媒体采访，甚至不愿意泄露他的年龄。参观的时候，他指着一个无人操作小型地面车辆（外骨骼腿部的一种新设计）兴奋地讲解起来。末了他叮嘱我不要在文章中提到这东西。我想他的顾虑可能因为好多个项目由军队资助，另一方面，他也像个不愿意透露太多秘密的魔术师。
萨科斯的研究项目———也包括假肢和纳米马达———似乎五花八门，毫无规律。但是，伊夫拉辛加西亚说，正因为兴趣广博，使雅各布森成为接受外骨骼挑战的最理想人选。他在软件和机械工程方面都已证明自己的能力，更难得的是，他还能根据需要不断发明新东西。“他能自己设计传动装置；能设计控制系统；能设计一台机器和它的所有零件。”加西亚说。这样的全能天才绝对是设计XOS所需要的。
“设计像外骨骼一类东西时，”雅各布森说，“有25个亚系统，完成它们才能继续下一步。虽然两大主要设计目标是力量和耐力，但是，它还必须能干75样不同的事情。”在他设计的所有机器人中，XOS由于挑战最大，问题最多，显然是他最喜欢的作品，他视之为自己的“儿子”。“其他的都没有如此宏伟的目标。其他的都不需要如此完备独立的系统，不需要达到这样的力量、速度、耐力和灵敏度。
外骨骼的诞生
2000年，萨科斯申请Darpa投资。雅各布森认为他找到了Darpa悬赏解决问题的答案。这个问题是如何让操作者与机器人互动。为证实自己的直觉，雅各布森请公司摄影师乔恩普莱斯和他的女儿一起帮他做个实验。
这个实验让普莱斯扮演外骨骼，他的女儿扮演内部操作者。她背对父亲，站到他脚上，她的脚趾压在他的脚趾上。他们握着手帮助平衡。她开始朝前行走。普莱斯的任务就是和女儿保持同步，让自己的脚始终保持在她脚下。几分钟后，他们的行动宛如一人。他女儿完全掌握决策———走多快，什么时候转弯———普莱斯只是一步一步地努力模仿她。
该演示向雅各布森证明，只需要几个接触点———比如脚和手———一台聪明的机器就能明白绑在它身上的操作者的动作意图，并配合行动。理论虽然简单，实践却相当困难。在完成XOS的过程中，雅各布森和他的小组重新设计了微型传动装置，改进了压力感应器，发明了更高效的液压阀门，甚至设计了机器人的铝脚板。但是，被设计者叫做“扫清道路”的控制系统才是把所有零件整合一体的关键，是把他设计的又一个机器人提升到“超人外衣”的核心。曾亲身试穿XOS的奥布瑟克完全赞同：“稍微负重，人体就很容易疲劳。”但是，XOS的控制系统让人体负担减轻到接近零。
正是这个控制系统使演示操作员詹姆森能连续50次举起200磅杠铃，心率却不加快。当他从架子上拉下杠铃时，手上的感应器立刻检测到扭矩的变化。假如没有外骨骼帮助，感应器将显示，他每只手试图拉下100磅重量。但是，雅各布森解释说，该系统的目标是让这些感应器感受的压力接近于零，如此才能让XOS发挥作用。
那些手上的感应器以每秒几百次甚至几千次的速度把测量到的数据传给中央处理器。这一系统把数据输入一系列计算外骨骼手臂、腿和背部方位和运动的公式。最终认识到詹姆森想要把手放下，计算出要模仿他的动作，每个关节内的每条人工肌肉需要如何运动。詹姆森从未感到一点儿负担，因为在他真正用力前，系统已经指挥机械手臂代为拿下杠铃。在举动练习后，他卸下XOS，毫无喘气迹象。我问他感觉如何。“很好，”他说着耸了耸肩。
詹姆森演示的XOS大约是第4版。雅各布森带我参观一个房间，里面，前3套机械外衣原型像木偶一样挂在架子上。让我立刻联想到铁人的“装甲厅”———斯塔克保管他的铁甲衣的房间。第一件机械衣建造于2002年，没有动力。萨科斯小组建造它的目的，是证明外骨骼能像人体一样自如行动。雅各布森把一名工程师绑在衣服内，让他尝试各种复杂动作，比如踢球、跑步、爬进汽车驾驶室。通过这一系列实验，他们证实在恰当的地方采用了恰当关节。
让这些关节以恰当的速度和力量开合则比较困难。2003年，萨科斯开始用水压驱动传动器做人工肌肉。这一方法并非他首创。事实上，另一位外骨骼研究者认为，XOS对水压装置的依赖最终将导致它的失败。这位不愿透露姓名的工程师没有亲眼见过XOS，只是在YouTube上见过一个新闻短片。他说，水压装置太耗电。他认为，电传动器比较好，因为它们消耗能量与行动相符。但是，雅各布森不耐烦地反驳了这种批评。“你喜欢你的汽车刹车吗？你是否希望你乘坐的飞机着陆系统正常工作？它们都是水压的。”之后他又补充说，他已经解决了能量浪费问题。但是他不愿解释细节，只是说萨科斯重新设计了控制液体流动的阀门，使之只在需要的情况下才启动，所以在机械衣运动的情况下才消耗能量。
虽然在举重项目上令人刮目相看，XOS并没有达到Darpa的全部目标。它不能使你腾空灌篮，不能帮你跑得更快，还不能把你变成赫拉克勒斯（大力神）。但是，奥布瑟克说，Darpa当初的目标之一就是看它开列的愿望清单上是否有一项能够实现。在3个参加该项目的团队中（萨科斯、奥克里奇国家实验室和加州大学伯克莱分校），XOS于2005年脱颖而出，最接近五角大楼构想的，成为美军批准进入下一阶段研究的全身外骨骼。萨科斯已经获得陆军1000万美元经费，覆盖两年研究。
詹姆森再次穿上XOS，演示放松锻炼。我看着这套150磅重的机器外衣像影子一样模仿他的每个动作，而它们之间只有6个关节互相接触，想象到秒在每个感应器和中央处理器之间流动的海量数据，眼前的情景精彩程度不压于《钢铁侠》影片中的特效。我几乎忍不住设想詹姆森飞身冲破房顶。但是，这不可能发生。要冲出洞穴，首先得切断连接XOS的电线。
竞争者
外骨骼研究者的世界狭小、秘密、不乏明争暗斗。虽然，可能并不了解对手装置的工作原理，仍然会不失时机地冷嘲热讽。最常见的攻击方法是，“你问他打算怎么提供动力。”XOS和美国实验室中其他两套比较领先的外骨骼试图从不同的角度攻克这个难题。雅各布森决定，首先建造一套相当能干的衣服，然后再钻研如何给它提供4至24小时动力（Darpa提出的最低动力要求）。在我所见的所有演示中，詹姆森和XOS都连接着一个水力泵，通过它从外部电源获得电能。这套衣服可以用电池驱动，但是每次只能工作40分钟。另外两位外骨骼研究者———麻省理工学院的休赫耳教授和加州大学伯克莱分校的哈马甬卡兹鲁尼———已经开始解决动力问题。
赫耳正试图建造一台脚力驱动的机器，尽可能节省能源———启动时只需2瓦特，相当于便携收音机的耗能———但却能支持穿戴者所背负80磅重量的80%.目前的设计由于会影响穿着者的步态，穿上后消耗能量比没有穿时略多。但是，赫耳相信，在不久的未来，他能够改进机械结构，让机器最终帮助节省而不是消耗穿着者的体力。最终，他设想这套装置被用于娱乐，周末时，人们穿着它去爬山，奔跑一天也不觉得累。如果说赫耳的设想还比较遥远，卡兹鲁尼则向我暗示，在解决动力方面，他已经走到一半。
卡兹鲁尼说他的“人载重器”（HULC）下肢外骨骼可以连续工作20小时。它使穿着者能背负100磅重物，但却少消耗15%的氧气。
卡兹鲁尼的装置还不能对外演示。他只肯透露该系统的原理类似混合动力汽车。混合动力车转化刹车产生的能量用于给电池充电。HULC利用步行者换脚时地面传回的能量。行走这一动作本身就足以产生源源不断的动能。目前，他已获得国家标准和技术学院提供的200万美元经费，用于改进系统。最终，HULC将帮助有行动障碍的人恢复行走。“这不是一台战争机器，”他说，“我们的机器可能替代轮椅。”
XOS最有力的竞争者也是一台医疗设备，但是位于太平洋彼岸的日本。2004年日本机器人专家山海嘉之创建了一个叫Cyberdyne的公司（和电影《终结者》中导致机器人革命的公司同名），推销他的全身机械外骨骼HAL-5.它没有采用XOS式的压力感应器，而是把感应器附着到穿着者身上，接收他（她）的肌肉信号，以确定他的行动意图。这套机械外衣的控制系统能够学习、模仿穿着者的自然姿态。这意味着，至少需要30分钟时间，两者才能协调一致———不能指望一穿上就行动自如。但是，HAL-5的主要用途是康复治疗辅助工具和护士的助手，所以半个小时的培训时间不构成问题。穿上这套电池驱动的大力服后，护士们能轻松抱起粗壮的病人，仿佛抱小孩一样轻松。山海嘉之已开始将HAL-5出租给顾客。
挣脱束缚
在最近一期《钢铁侠》漫画中，超级英雄被打倒，躺在敌人老巢的地板上，头盔内的显示器向他通报糟糕消息———电快用完了。但是仍然还有希望。他把手指插进混凝土地板，找到一条电线，迅速完成充电。
不幸的是，在现实世界，外骨骼充电要麻烦得多。因此，战场上的第一个XOS甚至可能是连接电缆的。奥布瑟克设想，这个原始版本更可能是一名工兵而非战士。连接上军舰或军车上的电源后，XOS可帮助一名士兵迅速从装载重武器的直升飞机上卸货，或者修复履带断裂的坦克。虽然美国陆军希望在2009年前，在战场上实验有线版的XOS，雅各布森和同事们仍在紧张研制自带电力版。
今年夏天，萨科斯将和一家引擎设计公司合作，开发一台能够连续几小时给XOS供电的发动机。此外，雅各布森不愿透露更多。他更愿意谈论另一个更有意思的挑战———与其建造强大发动机，不如减少XOS的能源胃口。
雅各布森给我演示了一台新的节省能量的机械腿，它模仿人腿驱动方式设计。行走时，我们的髋部产生了最大部分能量，当腿超前迈时，膝盖和其部位的小肌肉完全放松，确保我们的脚落到地面理想的位置。这种自由摆动技巧相当节省能量。卡兹鲁尼和赫耳已经把它设计进各自的下肢外骨骼中。雅各布森正将它设计进未来版本的XOS.“下一步，”他说，也许在几年后，“将实现用1至3马力实现行走的目标。”此时只需要一个便携电池组就能提供持久动力。
雅各布森把今天的版本看成一个基础模型，最终它将改造成各种版本，执行不同任务，无论是在医院里还是战场上。未来的模型甚至可能完全自动。“你走出去，告诉它，‘你自己走去那幢大楼吧，因为我懒得走’。”
后来，走过萨科斯公司大厅时，我看见平板电视上正放映用动画片描绘的未来XOS.在一个片段中，穿着XOS的士兵肩扛导弹，飞身跳过高墙，甚至能做优雅的后空翻。虽然包裹在机械骨骼中，他们看上去像橄榄球侧卫一样灵活。他们看上去像铁人。