钢铁侠之梦

2009年，美国洛克希德·马丁公司推出了一项新产品。这是一套金属骨架，可以捆装在身上，看起来像是矫正用的支架，不过与矫正支架相比，主要有两点不同：第一，它带有动力装置；第二，它比矫正支架贵得多。实际上，这种新产品更像是电影《特种部队》里面的那种装甲——但是还没达到《钢铁侠》的级别。

好吧，其实它离《特种部队》也还很远。目前这套叫做“人类负重外骨骼”的装备，只是能够提供一些很基础的功能，并无法让穿上这套装备的人跳得更高、反应更快，只是能让他们能够背负更多的东西，而不会感到过于疲惫而已。例如，它可以让人负重90公斤，并且可以以每小时16公里的速度快速行进。

虽然没有电影里那么梦幻，但这种产品也已经可以算得上令人瞩目。毕竟，在动力外骨骼（Powered Exoskeleton）这个研究领域里，目前还没有谁，走得比它更远。

可穿戴的动力装置

动力外骨骼这个词，是用生物学和工程学的名词拼凑出来的。甲虫和虾这类节肢动物身体表面的那一层硬壳就是外骨骼，主要起保护和支持作用。这有点像是中世纪骑士的盔甲——沉重，但是足以保护内部柔软脆弱的身体组织。而动力外骨骼则指那些自带动力的、可穿戴的机械设备，它可以让步兵变成装甲战车，或者让截肢的人或老人重新生龙活虎起来。是的，这种装置有着相当广泛的用途：帮助那些没有足够体力的人们完成他们的工作。农夫、护士、老人都可以通过这种工具获益，一些体力劳动者也会很欢迎这种助力装置。至于军事上的用途，更是显而易见。可以这样认为：动力外骨骼是一种可以穿戴的动力装置。当然，绝对没有EVA或者高达里面的巨大人形机器人那么夸张。

2010年8月，一种叫做HAL的动力外骨骼开始推向市场。它的全称叫做Hybrid Assistive Limb，可以翻译成“混合辅助义肢”。这种涂装成白色、看起来像是微缩型高达的装置是由日本筑波大学的研究者三阶吉行和他的同事们开发出来的，他们在2004年就创建了一个叫做“Cyberdyne”的公司，主要的工作就是将动力外骨骼推向市场。现在HAL主要用于医疗领域，帮助残障者行动，帮助伤患复健，以及为护士们助力。

HAL看起来不错，还有些动漫风格。但现在还是有点贵——租金在每月1000美元以上。近期降价的可能性也不大，毕竟这是一套相当复杂的系统，从某种意义上来说，也许比工业用的机器人还要复杂一些。

意图、反馈、助动

动力外骨骼和机器人的区别在于，机器人通过预先编写好的程序来控制行动（科幻片里那些终结者之类的机器人不在此列），而动力外骨骼则需要实时获取穿戴者的意图，再根据这些意图提供帮助。它就像自行车，当你踩下去的时候，轮子才会转。

最大的问题也就在这里。怎样让动力外骨骼在最合适的时间、给予人最恰如其分的帮助、而不会过分地滞后和延迟，也不会输出过于强大的能量呢？这些是动力外骨骼研发中最主要的问题。也正是由于这些原因，当人形双足行走机器人已经能够绕着操场跑圈的时候，动力外骨骼还没有真正成型的产品。

研究者们的解决思路是这样的：通过传感器来感知使用者的活动信息，将这些活动信息反馈给一台计算机，让计算机通过计算得出最优方案，再启动相应的机械部件输出能量。这一套流程听起来有点复杂，但是实际上它和我们敲打键盘打字的过程十分相似。来对比一下好了。

在我们敲键盘打字时，实际上经历了四个阶段：

第一，在键盘上敲下某个键，和这个键对应的电路连通，产生了一个电信号；

第二，键盘中的单片机对信号进行判断，然后通过键盘接口传递相应的电信号给主板；

第三，信号由主板传递给CPU，后者结合当前使用的软件和硬件来判断这个信号的含义，并将处理结果发给显示器；

第四：显示器屏幕上会出现一个相应的字母，或者执行相应的功能。

就我们所见，很难在第一步和第四步之间感觉到停顿，而觉得键盘就像是显示器的某个开关，只要按一下键，显示器马上就会做出反应，而很难意识到这中间的复杂过程。这是因为，现在计算机的处理速度，远远比我们要快。

动力外骨骼也是这样。现在的动力外骨骼一般包含多种传感器，常见的有角辨向器、肌电传感器、地面传感器、肌肉压力传感器等：角辨向器判断角度，肌电传感器判断肌肉电流的强度，地面传感器判断地面承受的压力，肌肉压力传感器则判断肌肉收缩的力度。有这样的几种传感器，基本上就可以收集到使用者当前所花费的力气和他的意图。

接下来，这些传感器把收集到的数据传递给信息处理器——这一般是一个背包一样的小东西，通常安装在背部，可以视为一台电脑。信息处理器会频繁对收到的资料进行整理和计算，每秒钟能够计算数千次。在它得出让使用者用力最小的最优方案后，便将这个方案转化成电信号传递给各个关节处的驱动装置——一般是液压或者气压系统。这些液压或者气压系统也会有很快的反应速度和相当高的精确度，从而十分精确地和使用者的活动同步。

当然，并不是完全同步，必然会有一点点时滞。但是，时滞会控制在人无法察觉的程度之内。现在的动力外骨骼可以以每秒数千次的频率调整全身的关节，让使用者几乎察觉不到它的存在。这相当于让使用者拥有了另一个更有力的身体。

何时才能走入生活？

对动力外骨骼的研究由来已久。早在1960年，通用电气公司就开始了机械外骨骼的研究，但是当时他们开发的设备只有一只手。麻省理工学院也早从1978年就开始了研究，但是一直没有制成可以推向市场的产品。和民用产品相比，在预算相对宽松的军用领域，动力外骨骼发展得比较快一些。美国国防承包商雷神公司收购的一家叫做Sarcos的公司专门从事动力外骨骼的研发，他们开发的XOS看起来像是科幻片《星船伞兵》里的道具。XOS已经开始进入实地测试阶段，但是如果不能解决供电问题的话，前途依然很渺茫——它现有的电池只能供电40分钟，和洛克希德·马丁公司的HULC完全不能相比。不过，它的设计功能倒是要比HULC强一些。

但是显然，民用市场要比军用市场大得多，特别是在呼吁和平与发展的今天。另一个不可忽视的趋势也在拓宽动力外骨骼的市场，那就是全球面临的老龄化问题。日本东京农工大学开发的一种动力外骨骼瞄准老人这一市场，希望能够帮助老人完成一些体力劳动。与此类似的还有美国Exmovere Holdings公司开发的Chariot，这是一种电动轮椅、自动保持平衡的两轮车Segway和动力外骨骼的结合体，人们可以站在或者坐在里面，只通过肌肉的细微运动就能达到和自行车差不多的速度。

可以说，现在动力外骨骼的技术已经较为成熟了，可以预见到价格将下调。如果不太苛求它的电池续航能力的话，也许近5年之内，我们就可以在市场上购买到这类产品——但如果要达到《特种部队》或者《钢铁侠》的水准，则要更长的时间。

变成超人

之所以还不能这样梦幻，是因为在上述两部电影中的动力外骨骼，不仅仅是助力系统，还有着令人非常着迷的控制方式。这两部电影中的装甲上都安装了一套可以直接用意识控制装甲的系统，这让使用者能够像指挥自己的身体一样控制那套钢铁战衣。这种控制方式是人们一直梦寐以求的，很遗憾的是，直到现在，人类对自己大脑的理解还依然相当浅薄，还没有办法直接“读出”大脑的想法。虽然有些研究人员通过脑电图、脑部核磁共振甚至在脑内嵌入芯片的方式，实现了简单的通过意识控制机械的功能，但是要真正实现意识控制，还只能是遥远的科幻。

即便如此，也不会降低动力外骨骼潜在的种种可能性。加装头盔式显示器，它可能会变成虚拟现实游戏机；加上无线上网模块，就变成一台移动上网设备；提高速度，可能会成为大众化个人交通工具；安装特定的软件，甚至可能让它变成健身器材。无论如何，动力外骨骼是一套专属的、个性化很强的机电系统，也是一台穿戴式的计算机。这就让它拥有了近乎无限的可能性，让它有机会成为和人类最亲近的科技产品——就像今天的手机一样。

而最好的地方在于，它看上去比手机酷多了。