外骨骼系統將如何改變單兵戰鬥方式

原標題：外骨骼系統將如何改變單兵戰鬥方式

　　在一些軍事和功夫大片中，我們經常可以看到創作者構想出來的「超級戰士」，他們身材魁梧、力大無比，堪稱「無敵金剛」。隨著人體增強技術的發展與應用，一種新型的軍用外骨骼系統應運而生，為運用高新技術打造真正的「超級戰士」奠定了重要基礎。

外骨骼系統可提高單兵的負重能力

人體最重要的承力支撐結構是骨骼系統和附著在骨骼上的肌肉，但骨骼系統和肌肉所能承載的力量是有限的，一旦超限就會造成機體功能受損。因此，單兵的負重能力和行動能力有時是一對矛盾。

在徒步行軍時，全副武裝的士兵需要攜行自己的武器彈藥、防護裝具、野營裝具以及食品、水等生活補給品，負重能力的極限值通常是幾十公斤。但在作戰行動中，士兵往往需要背負更多、更重的武器裝備和作戰物資，體能消耗大，嚴重影響到行動敏捷性和機動能力。尤其是在一些特殊地形如高原山地、山嶽叢林、沙漠等作戰時，背負大量裝備物資的士兵體能消耗更大、更快。如何既能增大士兵的負重能力，同時又能讓其保持充沛的體力呢？全新的外骨骼系統可以在體力增強上發揮出強有力的輔助作用。

外骨骼系統是一種人員可以穿戴的機電一體化設備，一般由感知系統、控制系統、動力系統、仿生機械系統和能源系統組成，主要用於增強穿戴者的力量、速度、耐力等。國外研製的大部分外骨骼系統屬於「行走機構＋控制系統＋電源裝置」的組合體。

對於外骨骼系統，大家早就在奧運賽場上領略過它的風采。雙腿截肢的南非殘疾人運動員奧斯卡·皮斯托瑞斯曾經創下奇蹟，在2008年北京殘奧會上包攬100米、200米、400米三枚金牌，在2012年8月倫敦奧運會上獲准與健全人一起參加田徑比賽，在男子400米預賽中取得小組第二名而成功晉級半決賽。皮斯托瑞斯被稱為「刀鋒戰士」，完全依靠機械電子裝置的外骨骼系統實現了殘奧會奪冠的夢想。但皮斯托瑞斯後來走上了暴力犯罪的歧途，在2013年槍殺女友，以謀殺罪被判入獄13年5個月。

方興未艾的軍用外骨骼系統

近年來，美國、俄羅斯、法國等陸續啟動了多個軍用外骨骼系統項目，以增強士兵的負載能力和作戰能力，同時保持士兵的身體健康。目前，軍用外骨骼系統還處在大力發展過程之中。作為提高單兵負重能力的外部輔助系統，外骨骼系統有著極大的吸引力，但在減少自身重量和電源能耗、增大裝置靈活性、降低成本等方面尚待突破。

美國軍方支持的外骨骼系統研製項目較多。美國防部國防高級研究計劃局（DARPA）積極推進「增強人體機能外骨骼」項目，旨在研製幫助地面部隊士兵攜帶更多武器彈藥、更好防護裝具和更多補給品的外骨骼系統。在DARPA資助下，加州大學伯克利分校開發出BLEEX下肢外骨骼系統，雷聲公司開發出XOS全身式外骨骼系統。

加州大學伯克利分校研製的BLEEX整體上由一個用於負重的背包式外架、兩條機械腿及相關的液壓驅動裝置組成，自重45公斤，負重35公斤，而穿戴者感覺只有兩公斤。

軍工巨頭洛克希德·馬丁公司聯合加州大學伯克利分校，共同推出了被稱為「人體負重外骨骼」的仿人體結構特點設計的外部穿戴式機械骨骼系統，由鈦合金製成的機械腿、驅動裝置和控制計算機以及背部負重結構、散熱單元等組成。

該裝置既能使士兵完成爬行、深蹲、提舉重物等一系列動作，又能減少士兵因提舉較重戰鬥載荷而引發的肌肉或骨骼損傷，全重約32公斤，最大負重超過100公斤，能保證穿戴者背負90公斤重物以每小時4.8公里的速度行走1個小時。

環球網2017年年底援引國外報道稱，美國陸軍正在測試可以釋放膝部壓力的FORTIS外骨骼系統。其利用人工智慧來分析和複製人的行走模式，為作戰步兵提供額外的力量和機動能力，並使士兵可以承受更大的負重，能夠敏捷地完成全負荷行軍。

FORTIS由洛克希德·馬丁公司打造，旨在幫助士兵跑動、演習、攜帶受傷戰友以及執行各種作戰任務，同時防止膝蓋過度伸展，類似產品已被美國海軍特種部隊海豹突擊隊採購使用，並衍生出系列化的民用商品。

FORTIS採用獨立的執行器、電機和輕型保形結構，使用一塊重約1360克的可充電鋰電池供電，能讓攜帶82公斤重物的士兵不那麼費力地爬上五層樓梯，可以幫助執行任務的士兵節省9%的體力，在近距離的城市作戰中獲得奇效，因為它可以幫助提升士兵的機動性、速度和力量。

2010年年初，另一家美國軍工巨頭雷聲公司推出改進型XOS-2外骨骼系統，並被美國《時代》周刊雜誌評選為2010年度「最具震懾力」的發明。它由一系列結構、感測器、執行機構和控制器組成，主要利用高壓液壓驅動，堪稱真實版的「鋼鐵俠戰衣」。這套外骨骼系統能使穿戴者將重約90公斤的重物反覆舉起幾百次，而且不會感到疲勞，同時還能連續擊穿厚度3英寸（約7.5厘米）的木板。

法國軍方研製的「大力神」可穿戴式外骨骼系統能夠輔助士兵，增強其在戰場上的負重能力和持續作戰能力。「大力神」主要由機械腿（由機械裝置、計算機和電子裝置組合而成）和背部支撐架組成，使穿戴者能夠輕鬆背負重物。其可以攜載100公斤重物，使穿戴者以每小時4公里的速度行進約20公里。

2015年，德國一家工程研究機構研發成功名為Robo-Mate的可穿戴式外骨骼系統，它能為體力勞動者提供手臂、腿部和背部的金屬機械支撐，令他們工作時托舉、負重能力提高到原來的10倍。該機構在2013年年底開始投入研發，吸納歐洲7個國家12家研究機構的工程師組成項目組。研究人員使用的軟體可以模擬出工人的行為，並精確感應到身體開始用力的時刻，幫助開發出最適合工人使用的外骨骼系統。

該系統主要增強了人體三個部分即手臂、軀幹和腿的能力。據研究者介紹和實際展示，其手臂模組可讓10公斤的汽車座椅拿起來就像1公斤一樣輕，軀幹模組可在舉起重物時保護脊柱，而腿部模組可讓工人輕鬆保持蹲下的姿勢，不會消耗掉額外的力氣。

外骨骼系統發展的新方向

除了上述幾種硬質結構的外骨骼系統，還有另一類輕質柔性外骨骼系統，它可以穿戴在士兵作戰服裡面，成為軍用外骨骼系統發展的新方向和新重點。

2013年5月，美軍特種作戰司令部提出研製供士兵使用的「戰術突擊輕型作戰服」，擬採用外骨骼系統大幅度減輕士兵負重的體力消耗，並集成可瞬間固化的液體防護裝甲、溫度調節裝置、救護裝置和態勢感知裝置等。

美國DARPA資助研製的「勇士織衣」就是一種重量輕、柔韌性好的內穿型作戰服，它更像是人體肌肉、關節的感應「增強器」，不僅具有傳統的防彈功能，還能增強人體機能，使士兵能夠背負重物進行長時間行軍。

美國軍方對「勇士織衣」提出的作戰指標要求是：功率小於100瓦，質量不超過9公斤，電池重約4.5公斤，在不充電情況下可以持續工作24小時，士兵背負45公斤重物、以每小時4.5公里的速度在平地上行走時，可以減少25%的代謝消耗。

此外，人們還在探索試驗外骨骼系統的另一種應用，就是利用外骨骼系統相關技術成果，通過手術式外骨骼埋植技術，實現把外骨骼系統埋植到機體內，成為一種人造的替代骨骼。

外骨骼系統是軍事仿生學、人工智慧、信息技術、機械電子技術等高新科技成果綜合集成運用的產物，隨著其技術越來越成熟，終有一天會讓「超級戰士」夢想成真。

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