导读
“钢铁侠”风格的动力装甲已经被证明不切实际，新的灵活可穿戴电子设备或将成为美军步兵的新选择。
上周，美国NextFlex制造业创新中心在总部圣何塞主办了一场年度“创新日”，邀请美国公司、大学和国防部的300多名代表参加了活动。该中心在活动上展示了多款商用/军用软体机器人（也称“柔性混合电子”）。美国军方已经看到这种打印在柔性织物上的微型化、超薄电子在轻型无人机、可穿戴健康监视器再到士兵外骨骼等方面的潜力。现在特种作战司令部已经放弃制造“塔洛斯”“钢铁侠”动力装甲项目，软体机器人，无论是一体成型还是与刚性外骨骼结合，或将成为美军在士兵防护与增强方面做出变革的最佳选择。
该中心常务董事马尔科姆·汤普森表示，美国军方对一款佐治亚理工学院与洛·马公司联合开发的软体外骨骼表现出浓厚的兴趣。这款系统用来增强士兵的下半身力量，不像传统刚性外骨骼一样使用沉重僵硬的骨架。该项目将在明年做出24套原型系统。美国防部对此非常关注。
一、新型气动软体外骨骼
原理。这款外骨骼由一组3d打印附着在可穿戴材料上的微型传感器和管状气动执行器组成。充气管可根据指令进行充气和放气。检测到腿部肌肉即将收缩，传感器即将高压空气注入处理这组肌肉的气动执行器。执行器膨胀时伸直，帮助腿进入正确的位置；肌肉放松时，执行器随之收缩。（执行器内有更多传感器来跟踪精确的膨胀压力）。
▲洛·马公司设计的一款“软体外骨骼”，可用来支撑并增强腿部肌肉力量。
应用。美国步兵在作战中经常要背负防弹衣、武器、弹药、水瓶、收音机、夜视镜、备用电池等将近45千克的重装备，在崎岖地形上很难跟上装备精良的恐怖分子，更不用说膝盖、背部和脚踝的大面积损伤。美陆军已经在投资研制机器人骡子，帮助步兵搬运重物，一种更小、更简单、帮助携带重物的可穿戴设备也是值得尝试的一种方案。佐治亚理工学院生物医学工程师亚伦·杨表示，首次迭代是为了支持膝盖，但也可以应用到其他关节上。若增加气动执行器和更加复杂的控制器，系统可以处理更大范围的臀部和脚踝运动，进一步改善对下半身甚至肩膀的支撑，提高士兵携带和攀爬的上半身力量。
优缺点。由于主要动力源是一枚2.3千克的压缩空气罐，这款气动、灵活的系统比刚性金属外骨骼轻得多，穿戴不需要花费太多力气，结构中的金属更多，电池更小。软体本身也不太容易对穿戴者造成意外伤害，更容易适应不同的体型，关闭或拆解没有负担。但与刚性系统相比，这种技术还不够发达。即使在充分发挥潜力的情况下，软体系统也不能完全替代刚性系统的功能。正如洛·马公司外骨骼产品经理基斯·麦克斯韦所说，软体外骨骼可以减少代谢值和运输，为身体提供力量，减少士兵自身的热量消耗，但是无法像刚性外骨骼一样转移穿戴者的负重。
二、混合解决方案
因此，麦克斯韦把软性机器人看作是对正在开发的刚性外骨骼的补充，而不是替代品。当需要长时间搬运重物但又不经常走动时（比如在造船厂或补给站），可以使用刚性系统。在不需要携带太多东西但需要像特种部队突击队员一样灵巧、灵活、轻盈的时候，可以使用这款空气动力外骨骼。对于介于两者之间的场景，则可以组合使用。
▲软性外骨骼的膝关节
刚性外骨骼的缺陷。刚性外骨骼依赖运动学控制。基本上，只要穿戴者的肌肉开始运动，肌肉就会推拉外骨骼，外骨骼检测到运动后启动执行器，使其同步运动。但这个方法存在一个问题，会有滞后期——穿戴者已经开始移动，但外骨骼还没有开始移动，对使用者的运动产生很大阻力。
控制器新方案。智能机器人的微型生物传感器提供了一种新的选择：在肌肉运动开始前即检测肌肉运动。名为“肌电图”（EMG）的技术可以“在产生力之前从肌肉中捕捉这些信号”，大约能够提前100毫秒，足以让软体外骨骼软件计算出哪块肌肉将要运动，运动程度，然后命令执行器对出反应。没有延迟，也不产生阻力。
混合方案。肌电图控制系统本身就是一种软性机器人，但同样可以植入坚硬的外骨骼，让它对穿戴者的动作做出更灵敏的反应，因此洛·马公司看到了最大发挥二者优势的可能：用灵活系统的响应性和灵敏性匹配刚性系统的力量和强度。这样的组合可以让士兵背负重型武器和盔甲，但依然可以敏捷地爬上山坡。外骨骼将从穿戴者的负累变成人体的延伸。
注：NextFlex制造业创新中心由美国五角大楼和私营部门在2015年8月合资成立，是美国“国家制造业创新网络”的15家机构之一，成员有100多家企业和学术机构以及40家国防部机构，其任务是催化美国柔性混合电子产业生态系统，为国防部和行业伙伴提供新的制造技能，通过演示平台展示柔性混合电子制造流程，教育培训专业人才和技术人才，引领美国进入先进柔性混合电子制造的新时代。
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