软体外骨骼和刚性外骨骼，哪个更好？

软体机器人技术

洛克希德马丁公司设计的“软体外骨骼”

上图是一种力量增强型外骨骼，能在穿戴者肌肉收缩之前探测到微小电荷，随后人工肌肉膨胀，与穿戴者共同运动，该设备发明者人之一将人工既然比作“非常结实的派对气球”。

这些都是正在进行测试的真实设备，此类设备被称为软体机器人技术或柔性混合电子设备：将微型超薄电子设备印刷在柔软纤维物品上。（这是一种增才制造技术）。美国军方知道此项技术具备潜在广泛用途，可用于轻型无人机、保健穿戴设备、作战部队外骨骼。现在，特种作战司令部终止TALOS外骨骼项目，该项目以设计钢铁侠式的动力外骨骼为目的，软体机器人技术既能单独运用有能与硬质外骨骼相结合，可能是一种革命性士兵保护及增强装置技术。

上周，来自多家企业、大学和国防部的300多名代表齐聚在圣何塞市，参加一年一度的“创新日”展会，该展会是由公私合作机构NextFlex主办的专业科学展会。NextFlex成立于2015年，成员包括100多家企业和学术机构以及40个美国国防部机构，资金来源于私营企业成员和五角大楼。

NextFlex执行理事马尔科姆·汤普森表示：“我们有两套项目。”汤普森是一名英籍科学家，现在在美国创办企业。NextFlex研制的很多软体机器人技术以商业用途为目的，尤其是适用于医药行业，此类软体机器人设备包括可穿戴生物监测设备，用于监督水和作用、压力以及伤口愈合情况。NextFlex还在正在研制一次性温度传感器，用户可以将该传感器粘贴在包装上，汤普森告诉我：“可以即剥即贴！就像把一张邮票贴在信封上。”——可用于确保运输中的包装内的血样或药品温度不会过高。

在NextFlex创新日展出的某些设备为民事用途，却迅速引起军方的注意。现在，乔治亚理工大学和洛克希德马丁公司正主导开发一套用于增强士兵下肢力量的软体外骨骼，该外骨骼未采用沉重的传统刚性外骨骼。明年，大约20多套原型设备将被制作出来。

汤普森告诉我：“我集中精力从事这项研究，美国国防部对此很感兴趣。”

乔治亚理工大学和洛克希德马丁公司的腿部支撑软体外骨骼设计图片

气动外骨骼

软体外骨骼看起来像是一个高科技腿支架，实际上却是利用3D打印技术在可穿戴材料(例如氯丁橡胶或氨纶)上打印的一个微型传感器阵列，再配置多个可按照指令充气和放气的充气管。乔治亚理工大学工程师弗兰克· 哈蒙德表示：“这些充气管就像是非常结实的派对气球”。（较为专业的技术术语为气压传动装置。）

当传感器探测到穿戴者腿部肌肉即将收缩（关于传感器探测腿部肌肉收缩的方式，我们将另寻时间进行说明），随即将高压空气注入充气管，让充气管与相应腿部肌肉群协调运转。充气管膨胀伸直，有助于穿戴者腿部伸展。（在充气管内，安装有更多传感器，以精确监控充气管充气时的压力）。当穿戴者肌肉松弛，充气管随之释放高压空气。

好吧，如果有人期望见到电影《钢铁侠》、《星河战队》或《星际舰队》那些可以跳过敌军并使用大型金属武器杀伤敌军的外骨骼，那么这些人就会感到失望。在现实生活中，美国步兵通常要携带近100磅的装备，包括防弹衣、武器弹药、水壶、无线电设备、夜视镜、备用电池等，让他们筋疲力尽。这意味美国步兵很难在崎岖地形很难追上轻装塔利班人员，并且其膝盖、背部和脚踝会受到损伤。美国陆军已经对“机械骡子”进行投资，该项目旨在协助步兵搬运重物；有鉴于此，一种结构简单，尺寸更小的可穿戴负重设备值得试一试。

美军士兵已经携带大量装备

第一代设计以支撑膝关节为设计目标，乔治亚理工大学生物医药工程师亚伦·杨表示：“这种设计可以能便捷地转化成其他关节支撑结构。”膝关节只能向一个方向弯曲，可作为一个简单的设计起点。（膝关节无法像两侧弯曲，否则就受伤。）亚伦·杨表示：此膝关节支撑系统配置多个气压传动装置和较为复杂控制装置，可以扩大穿戴者胯部和脚踝的活动范围，进一步提高其下肢支撑状况，甚至可以改善肩部运动状况，从而提高穿戴者上肢力量，以便于其携带装备和攀爬。

与其他实验使用的刚性金属外骨骼相比，这种气动柔性外骨骼系统有什么优势？重量轻，当系统运行并协助穿戴者动作时，设备自身重量消耗能量较少；金属结构件数量少，电池也小很多，主动力装置为一个五磅重压缩空气罐，工作原理与给自行车轮胎充气没什么区别。（穿戴者在用完一罐压缩空气后，可以更换一罐压缩空气，研究人员正在摸索让一罐压缩空气就能让软体外骨骼系统运转数小时的方法。）

软体外骨骼系统对穿戴者造成意外伤害的几率较低，可便捷地适应不同体型，即便被关闭或损坏，也不会对穿戴者造成干扰。但与刚性外骨骼相比，软体外骨骼还不成熟。即便将软体外骨骼潜力得到全部发挥，也无法全部替代刚性外骨骼系统。

洛克希德马丁公司外骨骼产品经理凯斯·麦克斯韦表示：“软体外骨骼用于降低人体代谢值和行动体能消耗，为人体提供能量，降低人体热量消耗。但软体外骨骼不能将负载从人体移除。”

换言之：软体机器人技术的作用就像为穿戴者提供更多肌肉，帮助人体承受负重，但只有刚性外骨骼可以起到类似骨骼的作用，支撑人体负重并将负重载荷转移到地面。

洛克希德马丁公司制造的ONYX外骨骼正在进行军方测试

ONYX外骨骼是一种刚性外骨骼，可以与软体机器人技术相结合，从而扩大适用范围并提高效率。

综合技术方案

在洛克希德马丁公司，麦克斯韦和同事们同时也在研制刚性外骨骼；他们将软体外骨骼视为刚性外骨骼的补充，而不是替代品。如果穿戴者需要要长时间搬运重物，但不需要移动很长距离，例如在船厂或补给站工作，操作者可以采用一套单纯刚性外骨骼系统，例如洛克希德马丁公司制造的FORTIS外骨骼和Sarcos公司制造的3-mph “卫士”外骨骼。如果穿戴者不需要携带很多物品，但需要能够轻巧灵活地走动，例如特种部队突击队人员，穿戴者可以采用一套单纯软体外骨骼，例如乔治亚理工大学制造的气动外骨骼。如果有两种需求，将两种外骨骼技术相结合，可能更有利与穿戴者。

两种外骨骼最有效的技术融合重点为控制系统。刚性外骨骼基于所谓的“运动控制”原理，其基本原理为：当穿戴者肌肉开始运动时，外骨骼将被推动，一旦外骨骼探测到穿戴者肌肉运动，立即启动驱动装置，让外骨骼串联运动机构产生相应运动。这种控制方式有一个问题——外骨骼运动会出现延迟，即穿戴者已经开始运动，但外骨骼却还没有运动。

早期实验型外骨骼存在着较多动作延迟情况，例如名字很贴切的“人类通用负载工具”（HULC）外骨骼就是如此，穿戴者在做动作时会有很大阻力，基本上就是穿着一个负重训练机器；在与外骨骼“对抗”过程中，穿戴者的体能将很快被耗尽。洛克希德马丁公司制造的最新外骨骼系统，例如ONYX外骨骼系统，利用先进软件快速识别穿戴者动作并且让外骨骼做出相应动作，从而将外骨骼阻力降至最低。洛克希德马丁公司制造的最新外骨骼系统，例如ONYX外骨骼系统，利用先进软件快速识别穿戴者动作并且让外骨骼做出相应动作，从而将外骨骼阻力降至最低。当然，还需要为外骨骼系统配置运算速度更快的芯片和性能更好的传感器。

可以选用智能微型仿生机器人技术传感器，该传感器能在穿戴者肌肉运动之前就能探测到相关信息。这是因为人体神经系统的运行基于电化学信号传输，此类传感器就是探测这样的信号。

软体外骨骼膝关节连接处

亚伦·杨介绍道：“一项被称为‘肌电图’能探测人体肌肉在运动之前发出的电化学信号。”信号探测时间只需十分之一秒，即100毫秒。对于软体外骨骼软件而言，完全可以利用这100毫秒计算出哪块肌肉即将运动以及运动量，随即发出信号，让外骨骼驱动装置在同一时间和统一角度与穿戴者人体肌肉共同运动，不存在运动延迟，也不让穿戴者感到动作受阻。

肌电图控制系统本身就是一种软体机器人技术，完全适用于刚性外骨骼，让刚性外骨骼能更灵敏地响应穿戴者做出的动作。因此，洛克希德马丁公司认为可以将两者外骨骼技术进行整合：将软体外骨骼系统的反应灵敏性与刚性外骨骼的力量和强度相结合。这种综合技术可让携带着重型武器和装甲的战士可以像穿着长袍和人字拖鞋的塔利班人员一样敏捷地爬上山坡。

麦克斯韦兴奋地说道：“这是真是令人激动的事情。外骨骼不再是穿戴者的负担，而是穿戴者人体的延伸。”

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发布媒体：好百科 作者：卧薪越甲