2008年的5月，一部由漫画改编的动作大片《钢铁侠》吸引了所有科幻迷的目光，也毫不客气地从全球观众的口袋中掏走了5亿8千万美元。影片男主角所拥有的那件无比强大的钢铁衣更是令不少人魂牵梦萦。这套装甲不仅携带了多种新式武器，更能赋予穿着者超人的力量和飞行的能力。这不仅让我们联想到，如果类似的装备真的出现在战场上，将会组成一支多么可拍的队伍。事实上，早在上世纪六十年代《钢铁侠》的漫画问世之际，军方就盯上了类似的装备。英文称之为exoskeleton （外骨骼），我更愿意将它叫做机器外甲。失败的先行者
康奈尔大学设计蓝图美国国防部对于开发这样一套能让士兵们在战场上实现“更高、更快、更强”目标的机器外甲一直颇感兴趣。1962年，美国空军曾让康奈尔大学的航空实验室就 此装备做初步的研究，在提交的[url=]报告[/url]中，康奈尔大学设计出了一套有十四个关节的铠甲上衣，能让穿戴者拿起一千磅（约450公斤）重的物品。不过遗憾的是，这份设 计始终停留在蓝图阶段。
硬人Hardiman第一次对于机器外甲的真正尝试由通用电气公司在上世纪六十年代后期进行。这套被称为“硬人”（Hardiman）的装备重达700公斤，共有30个由液压和电力驱动的活动关节。理想状况下，穿戴者的肢体动作能带动铠甲的内层运动，从而引导铠甲外层做出相应的动作。不幸的是，最终这套铠甲只有一只胳膊能动，而它的承重也只能达到自身重量的一半。“硬人”的失败也意味着全盘复制人类的运动模式以及主从式控制方法无法有效地应用在机器服装上。
继“硬人”项目折戟沉沙之后，八十年代中期洛斯阿拉莫斯国家实验室和九十年代初期美国军方研究实验室的机器外甲计划也都相继流产。基于当时的技术限制，这些失败的先行者们都遇到了一些根本性的困难：计算机的运行速度无法控制机器服装有效地跟上使用者的肢体运动；没有便携式的供能设备；驱动装置不仅过于缓慢，而且非常沉重。在很长一段时间内，“钢铁侠”被认为是不可能在现实生活中出现的。研究者们也将注意力从这些全套的机器外甲上转到了更具有实际应用的机械手臂上。
新一代的机器战士
不过，随着硬件技术的快速发展以及更快计算机、更小巧电源设备的出现，机器外甲又一次进入人们的视野。2001年，在美国高级研究计划局(DARPA)的赞助下，加州的伯克莱大学、田纳西州的橡树岭国家实验室和盐湖城的Sarcos公司分别开始了对机器外甲的开发。DARPA的目标是为战士们设计一种可穿戴的机器外甲，能让士兵在双倍负重的情况下更快更久地行军，这种铠甲在提高力量和防御能力的同时又要保证灵活性，使穿着者仍旧能够匍匐过铁丝网或翻过战壕。三个团队的前期研究都取得了不错的成果，最终Sarcos公司的XOS雀屏中选，进入了最后的研究阶段。
Sarcos公司设计的XOS外甲虽然XOS还未最终亮相，目前的实验结果显示它正在一步步地接近DARPA的目标。XOS使用压力感应器来感知使用者的动作意图。安装在手或脚上的感应器以读取压力数据，计算机分析出用户的动作意图并在使用者真正用力之前控制液压驱动的机械装备做出相应的运动。穿着XOS的实验者曾经连续500次举起200磅（90公斤）重的杠铃，而他最后放弃的理由不是疲倦，而是厌烦。
来自日本的HAL：军用还是民用？
来自日本的HAL-52009年的5月，在国际机器人自动化大会（ICRA）上，我得以亲眼目睹最接近我们现实生活的机器外甲—由日本筑波大学山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）教授开发的HAL-5。在这次会议上，这套装备也获得了本年度的IERA大奖，这是专为那些在机器人和自动化产品商业化方面发展不错的个人或团队而设置的奖项。事实上，山海教授在2004年就成立了Cyberdyne公司，逐步将他十年来的研究成果推向市场。如今，这款名为HAL （Hybrid Assistive Limb）的机器服装已经是第五代产品了。
HAL-5的服装框架中含有镍、钼和一种曾用在零式战斗机机翼上的硬铝合金，表面覆盖塑料壳，硬度非常强。穿戴的时候是被绑在使用者身上的，全套服装重约23公斤，不过用户并不会觉得沉，因为它自身能够承担这部分重量。一些小型的直流电动马达被放置放在肩、肘、髋和膝盖部位，这些马达充当着机器服装的“肌肉”，能够为使用者的四肢提供动力支持。HAL-5的计算和通讯设备能够位于腰间的一个小包中。而锂电池背包充一次电就能保证全套服装行动2小时40分钟。
HAL-5的传感系统由三部分构成，能够检测到机器服装和使用者的状况：放置在各关节部位的传感器能够判断各关节之间的角度；安装在足底的传感器能够在用户行走时监测出地板传回的力道；最为特别的还是紧贴在用户皮肤上的生物电流感应器。这种硬币大小的感应器被粘贴在用户肩部、肘部、髋部和膝盖部位附近的皮肤上。当用户想要挪动四肢，例如行走的时候，大脑会向相关部位的肌肉发送电脉冲，当这种电脉冲沿着肌肉纤维流动时，在相应的肌肤表面就会出现微弱的生物电信号，而HAL-5配置的感应器能够准确地识别这些微弱的信号，从而判断出用户的意图。
HAL-5的控制系统也由两部分组成。一部分与生物电流感应器相连，当感应器监测到生物号后，计算机马上就能分析出用户需要多大的力量，机器服装需要提供多少的支持力并控制相应的关节和部件做出适当的反应。所有的这一切，包括检测、分析和行动都在极短的时间内完成，通常比实际的肌肉活动还要快一点点。
想站起来—>HAL协助站立-->HAL协助前进—> HAL协助直立另一部分的控制系统则是与使用者的行动相连。不同的运动模式，包括从椅子上站起来、向前走、上下楼梯等，都被细分成一连串更小的基本动作并被储存起来。这样，机器服装与用户的行动能够保持同步，更加协调。这些动作还能针对不同的使用者被细化，从而符合单个用户独特的步法。这套控制系统特别适用于那些脊柱或者大脑有问题的残障人士，如果生物电信号无法被监测到，HAL-5会在使用者开始移动的时候自行启动，协助用户完成基本的行动功能。
Seiji Uchida和他的穿着HAL-5的朋友事实上，虽然HAL-5能够赋予正常人部分的“超能力”，山海教授最为看重的还是如何利用这套机器服装来帮助那些残障人士，如肌无力患者、中风病人以及脊柱损伤者。目前，这套机器服装已经在日本向部分残障人士出租，而从目前的实验来看，不少的患者在HAL-5的帮助下都部分地重获了行走的自由。2006年8月，骑在一位身着Hal盔甲的朋友背上，四肢瘫痪的Seiji Uchida“爬”到了距离瑞士阿尔卑斯山布来特（Breithorn）峰顶不到500米的高处。“今天，在这里，我又感到了第一次看到布来特山峰照片的那种震撼感。”在友谊和科技的双重帮助下，Seiji的梦想终于得以成真。而当我看到视频中从小就瘫痪的病人小心翼翼地摇晃着前行，中风患者又得以重新迈步，我深切地体会到了机器外甲中所蕴含的强大力量：不是影片中展示的那种上天遁地的超能力，而是让那些不幸的人们有机会体会到作为正常人的快乐。
2010年的5月，《机器侠2》又将卷土重来，在品味无所不能的铁甲超人带给我们乐趣的同时，也不妨关注一下我们现实生活中的机器外甲的发展。不管是战场上让人不寒而栗的新式装备，还是日常生活中让残障人士重获自由的神奇服装，离我们都会更近一步了。
本文已发表于《人民画报》
转自科学松鼠会 http://kexuesongshuhui.blog.163.com/blog/static/9359656720095232727694/