王新蕊+范宇翔+劉鈺

各國(guó)研制的外骨骼系統(tǒng)通常采用電力驅(qū)動(dòng)，而一旦行動(dòng)中電力耗盡，外骨骼系統(tǒng)將失去作用，成為士兵的攜行負(fù)擔(dān)。但最近，加拿大單兵助力外骨骼系統(tǒng)的研制取得了具有重要意義的新進(jìn)展，Mawashi公司推出一款UPRISE（ultra-light passive ruggedized integrated soldier exoskeleton）超輕型被動(dòng)士兵外骨骼系統(tǒng)。其在2017年6月美國(guó)佛羅里達(dá)州坦帕舉行的國(guó)防工業(yè)協(xié)會(huì)特種作戰(zhàn)部隊(duì)工業(yè)會(huì)議上首次披露。該外骨骼系統(tǒng)無(wú)需電池，模仿人體負(fù)重時(shí)的自然構(gòu)造，通過(guò)機(jī)械杠桿，將負(fù)重轉(zhuǎn)移到合理的位置，減少骨骼肌肉損傷，確保士兵能夠執(zhí)行3～7天的任務(wù)。該系統(tǒng)專為特種部隊(duì)設(shè)計(jì)，目前正在接受作戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境下的戰(zhàn)場(chǎng)測(cè)試。

被動(dòng)外骨骼概念的提出

助力外骨骼就是模仿生物外骨骼，根據(jù)人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的外置動(dòng)力機(jī)械裝置，其與肌肉骨骼系統(tǒng)相互作用，可賦予人體支撐、保護(hù)、運(yùn)動(dòng)以及環(huán)境感知等功能，提高人的承載能力、行進(jìn)速度和越障能力。

目前，絕大多數(shù)外骨骼系統(tǒng)都依靠電力提供動(dòng)力輔助。然而對(duì)電力的依賴也使外骨骼應(yīng)用受到限制?，F(xiàn)有的電池技術(shù)無(wú)法持久地為外骨骼提供能量，電力很有可能在任務(wù)中途就耗盡，嚴(yán)重影響外骨骼在戰(zhàn)場(chǎng)上的持續(xù)使用。因此美國(guó)率先提出了“被動(dòng)外骨骼”這一概念，即無(wú)需外部能源，依靠自身特定的機(jī)制和結(jié)構(gòu)承擔(dān)負(fù)重。隨后，洛克希德·馬丁公司便推出了無(wú)動(dòng)力FORTIS外骨骼，但其適用范圍僅限于幫助海軍造船廠搬運(yùn)笨重工具，如研磨機(jī)、鉚釘機(jī)等，無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨軍作戰(zhàn)的目標(biāo)。

UPRISE被動(dòng)外骨骼問(wèn)世

UPRISE戰(zhàn)術(shù)外骨骼的研發(fā)具有重要的意義，它無(wú)需外部能源，運(yùn)用生物力學(xué)和人體運(yùn)動(dòng)負(fù)重管理，通過(guò)機(jī)械杠桿，將士兵負(fù)重轉(zhuǎn)移到身體上的合理位置，能夠協(xié)助士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上負(fù)載重達(dá)120磅（54.4kg）的裝備，對(duì)士兵運(yùn)動(dòng)的干涉度低于1%。該系統(tǒng)包括：脊柱架構(gòu)，安裝在人體背部；腰部滑帶，使軀干可以自由旋轉(zhuǎn)；仿人腿支架，具有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)伸展功能，能跟隨人體運(yùn)動(dòng)，支架末端能與鞋底集成，將負(fù)重轉(zhuǎn)移到地面；支撐頭盔的阿特拉斯系統(tǒng)。

該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

基于人體體重分配理念，有效分配負(fù)重

從2005年開始，Mawashi公司的工程師就在投入研究人體承重的極限，尤其是對(duì)于相撲選手，研究其負(fù)擔(dān)體重的方法以及體重分配的方式。經(jīng)過(guò)研究，工程師發(fā)現(xiàn)，人體的構(gòu)造非常合理，如果能合理地分配負(fù)重，人體可以攜帶180kg的重物。UPRISE被動(dòng)外骨骼系統(tǒng)通過(guò)模擬人體負(fù)重時(shí)的自然構(gòu)造，將負(fù)重的支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)移到腿部?jī)?nèi)側(cè)，能夠保持平衡并承擔(dān)較大的負(fù)重。

設(shè)計(jì)合理，負(fù)重轉(zhuǎn)移效率較高

該外骨骼采用高強(qiáng)度鈦制成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由靈活的脊柱、滑帶和支架等構(gòu)件組成，滑帶可以使軀干自由轉(zhuǎn)動(dòng)，腿部支架人機(jī)工效性好，其末端與鞋墊相似，能與穿戴者的鞋底集成，在沒(méi)有動(dòng)力源的情況下更均勻地平衡重量，能將肩膀上50%～80%的負(fù)重轉(zhuǎn)移到地面。另外外骨骼上設(shè)計(jì)了緩沖墊，穿戴較為舒適，并且腿部的幾個(gè)位置裝有旋鈕，通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕，能夠適應(yīng)不同身高的人穿戴。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能與其他裝備兼容使用

這套外骨骼系統(tǒng)體積較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以與防彈衣以及背包等其他裝備組合使用。此外，在展示中，外骨骼的滑帶上還能夠附加槍套等各種裝備；未來(lái)計(jì)劃加裝手臂外骨骼等附件。

編輯/劉蘭芳