未来生活进行时: 机甲之梦

未来生活进行时: 机甲之梦

最近大热的电影《环太平洋》,不仅唤醒了人们对于机器人打怪兽的童年记忆,其中数款巨型机甲的精心塑造和特效场面更是又一次让我们领略了震撼感。其实,从经典的《钢铁侠》三部曲,或早期的《特种部队》,亦或是今天的环太平洋⋯⋯机甲动力装备,意念操控系统,加上特效科技,一直是票房和市场的强力打包配置,在游戏、影视、科技界从来都拥有着横扫一片的魅力。


如果你是资深机甲迷,可能下面的内容对你来说太小儿科。不过,如果是和小编一样的门外汉,却又对这些玩意儿充满热爱,也许你也很想知道,这些帅气的东西究竟是什么,它们和机器人有什么区别?它们有可能走入生活吗?

整理、编辑: Vivian Peng @DamnDigital
Cover Image: Wang Qi@DamnDigital
(原创内容,转载请注明来自DamnDigital)

起源:机甲文化源自日本 从无线操纵到真人驾驶

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机甲类作品起源于日本,最早还要追溯到上世纪50年代。1958年,漫画大师横山光辉的漫画《铁人28号》,讲述了一个少年利用无线遥控器操纵一个巨大的“机器人”守护世界和平的故事。这是历史上第一部人形机甲的作品,后来也被拍成动画片和真人电影。作品中少年的遥控器一度丢失,而28号也变成了不会动的雕像。机甲没有“人格”的设定,也成了后来所有机甲作品一贯强调的特性。

如今的机甲电影虽大都由美国拍摄,但好莱坞导演从来都不忘要在影片中向起源于日本的机甲文化致敬。还记得去年上映的那部休·杰克曼主演的《铁甲钢拳》吗?电影中休·杰克曼用“卖儿子”的钱换来的那台典藏级机甲“吵闹小子”就是来自日本,连身上都写着“超恶男子”的中文,而片中的机甲战士争霸赛,也采用的是早期日本机甲漫画中的无线电遥控方式来进行操纵的。

到了1972年,永井豪的《铁甲万能侠》为机甲类作品带来了历史性的革新。这套作品一改之前人类用遥控器操纵机甲的设定,让驾驶员坐进了“机器人”的头部。这种机甲与驾驶员一心同体化这个崭新的构想轰动日本,可以说《铁甲万能侠》是机甲类作品真正的鼻祖,后世包括《福音战士》、《高达》等无不采用这种设定。

机甲≠机器人

2010年10月,美国伯克利一家仿生技术公司近日研制出一种由电池提供动力的外骨骼系统,这种外骨骼系统可以帮助截瘫患者摆脱轮椅,自由行走。这是一套金属骨架,可以捆装在身上,看起来就像是矫正用的支架。不过它和矫正支架之间的不同主要有两点:其一,它带有动力装置;第二,它比矫正支架贵得多。

但是,这套装备只是能够提供一些很基础的功能,它不能让穿上这套装备的人跳得更高、反应更快,只是让他们能够背负更多的东西,而不会感到过于疲惫而已。它可以让人负重九十公斤,并且可以达到每小时十六公里的突击速度——它的功率是二百五十瓦,在六十伏电压下工作。

不过,即使这样,这种产品也已经可以算得上是令人瞩目。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。

动力外骨骼——可穿戴的动力装置

动力外骨骼是指那些自带动力的、可穿戴的机械设备,它可以让步兵变成装甲战车,或者让截肢的人或者老人重新生龙活虎。简单来说:动力外骨骼是一种可以穿戴的动力装置,当然,还不至于真的和钢铁侠或者高达那样夸张。

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。一些体力劳动者,残障人士,或者小孩,老人都可以通过这种工具获益。至于军事上的用途,更是显而易见。

2010年8月,一家叫做“Cyberdyne”的公司推出了一种名为HAL的动力外骨骼,其全称叫作Hybrid Assistive Limb,可以翻译成“人体辅助义肢”。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,如今,HAL已经应用于医疗领域,帮助残障者行动、帮助伤患复健,以及为护士们助力。

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图片来源:http://www.cyberdyne.jp/english/robotsuithal/index.html

不过这套装备的价格可不便宜——租金在每月一千美元以上。而且,近期降价的可能性也不算大,毕竟这是一套相当复杂的系统,从某种意义上来说,也许比单纯的机器人还要复杂一些。

意念操控的行动装置

正如我们在《环太平洋》、《钢铁侠》等电影场景中所看到的那样,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,而动力外骨骼需要随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。

不过,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——这些是动力外骨骼研发中面对的最主要的问题。也正是出于这些原因,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,然后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。

动力外骨骼通过传感器来收集使用者的活动信息,这些信息传递给信息处理器进行处理,然后启动相应的机械部件来输出能量。在动力外骨骼中可以使用的传感器种类很多,包括角辨向器、肌电传感器、地面传感器、肌肉压力传感器等等。同样,用于输出的机械系统也有很多选择,目前液压系统和气压系统是比较常见的。

在某些意义上,动力外骨骼可能比机器人更复杂。动力外骨骼需要在极短的时间内判断出使用者的动作意图,并且给予恰如其分的帮助。现在最成熟的军用动力外骨骼采用肌肉压力传感器来收集用户动作。当人弯曲手肘时,上臂的肌肉纤维组织会紧靠在一起,从而牵动肌键运动,直观表现就是肌肉隆起。在动力外骨骼与皮肤接触的肌肉压力传感器收集肌肉收紧的强度和方向,从而感应到操纵者的动作意图。它会把收集得到的数据资料传达给信息处理器——这是一个安装在背部的“背包”,可以看成一台电脑——信息处理器计算如何移动外骨骼让使用者用力最小,然后再把指令传递到相关的关节,通过关节内部的液压机构传动装置产生精确的力量,从而做到与人的动作同步。

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钟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。这让使用者相当于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。

以下这几个就是目前相对较为成熟已应用于小部分领域的动力外骨骼装置:

HULC

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制造公司:Lockheed Martin
动力:4节锂电池,支持48小时

Lockheed Martin公司推出一种可大幅度增加士兵负重能力的金属骨架。这种新型装备的全称为“人类负重外骨骼”(简称HULC),是一种能够通过提供外力来满足士兵对机动性和支撑性需要的机器人技术装备。

据说传说HUCL 的人能够轻而易举的抬起75kg的重物。该盔甲由Lockheed Martin 公司设计开发,主要用户提高士兵作战能力。

HUCL没有操纵按钮,只要套在身上,它便能够感应你的动作作出反应。它使用电池供能,可供时速3英里(4800米)连续行走3小时。超灵活的设计不但不会给人增加麻烦,反而能帮助你更轻松的适应各种地形。

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制造者:日本筑波大学
动力:腰部装上100伏电池包

日本公司Cyberdyne 准备开始限量生产的Hybrid Assistive Limb。据说这能够让人增加10倍的力量。
* HAL 起初是为残疾人士设计的辅助设备, 这个东西大家可能看过,07年时它就出现在了各大科技展区上。现在只是真的要开始生产了。
Cyberdyne 准备开始生产400套这种服装,每套售价在4200美元左右。充电一次能够使用约5小时,它的机械骨骼能够侦测人体肌肉发出的‘信号’,从而与你的动作同步,为你“加强体育锻炼,提高身体素质”。

Trojan T Series

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制作者:Troy Hurtubise
动力:头盔上的太阳能电池组

Trojan T Series 的设计灵感来自电子游戏Halo 里的战士服装。比起上面两个真正的高科技来说,这个东东只能算是玩具。它头部有太阳能电池,头盔上还有小收音机,与冷气。除此之外,可能还有一些防护功能。之后就只能作为cosplay 的玩具。

XOS

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制作者:Sarcos/Raytheon
动力:电缆

辅助动力装置能让使用者轻松举起200磅以上的重物。唯一的缺点是需要连接电缆。作者的意图是将XOS 用于一些特殊场合(例如建筑工地)帮助人们更好的处理事情。

安装在前臂的控制器,几个按钮各有功能,一个让士兵紧急卸下盔甲,“金蝉脱壳”,另一个按钮可令铁甲产生一股能量,使士兵爆发出突如其来的冲劲;还有一个按钮可将铁甲设定为长途步行状态,调整出最省力的步速。

Lifesuit (Prototype 14)

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制作者:Monty Reed
动力:液压空气,能让这个东西每小时行走2.5英里

制作者Monty Reed 曾在当兵时跳伞背部受伤,让他行走困难。所以他发明了这个东东,能够帮助他更好的行走。使用空气液压系统,即便是有点残疾的Monty 也能行走自如,以及举起200磅重物。
Lifesuit (Prototype 14)主要是用来代替轮椅,作者希望它能够帮助更多的残疾朋友获得更多可发挥的空间。而不仅仅局限于轮椅。这东西也能帮助一些病患做恢复训练。

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。

可以说,现在动力外骨骼的技术已经较为成熟了,可以预见到价格的下降。如果不太苛求它的电池续航能力的话,也许近五年之内,我们就可以在市场上购买到这类产品——如果要达到、《钢铁侠》的水准,则要更长的时间。

机甲之梦 无限可能

当然,钢铁侠,特种部队等一系列大片之所以让人着迷,主要在于,电影中所呈现的外动力骨骼装备不仅仅是助力系统,还有着非常令人着迷的控制方式。他们都可以用意念控制装甲系统。这种控制方式一直是人们梦寐以求的,但是很遗憾,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,但是真正可以实现意识控制,还只能是遥远的科幻。

虽然如此,也不会降低动力外骨骼潜在的种种可能。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,就可以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,让它也可能成为和人类最亲近的科技产品——就像今天的手机一样。

 

参考资料来源:

《环太平洋》造机甲盛世
网易博客:科学奇点 钢铁侠之梦
I am Iron Man: Top 5 Exoskeleton Robots
How Exoskeletons Will Work
美研制出电池动力外骨骼仿生系统

 

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