洛馬公司展示新型軟體外骨骼

中國航空報訊：8月9日，洛馬公司在NextFlex製造業創新中心位於聖何塞的總部主辦了一場年度「創新日」活動，邀請美國公司、大學和國防部的300多名代表參加了活動。該中心在活動上展示了多款商用/軍用軟體機器人（也稱「柔性混合電子」）。美國軍方已經看到這種列印在柔性織物上的微型化、超薄電子在輕型無人機、可穿戴健康監視器再到士兵外骨骼等方面的潛力。現在特種作戰司令部已經放棄製造「塔洛斯」「鋼鐵俠」動力裝甲項目，軟體機器人，無論是一體成型還是與剛性外骨骼結合，或將成為美軍在士兵防護與增強方面做出變革的最佳選擇。

該中心常務董事馬爾科姆·湯普森表示，美國軍方對一款喬治亞理工學院與洛馬公司聯合開發的軟體外骨骼表現出濃厚的興趣。這款系統用來增強士兵的下半身力量，不像傳統剛性外骨骼一樣使用沉重僵硬的骨架。該項目將在明年做出24套原型系統。美國防部對此非常關注。

新型氣動軟體外骨骼

這款外骨骼由一組3D列印附著在可穿戴材料上的微型感測器和管狀氣動執行器組成。充氣管可根據指令進行充氣和放氣。檢測到腿部肌肉即將收縮，感測器即將高壓空氣注入處理這組肌肉的氣動執行器。執行器膨脹時伸直，幫助腿進入正確的位置；肌肉放鬆時，執行器隨之收縮。（執行器內有更多感測器來跟蹤精確的膨脹壓力）。

美國步兵在作戰中經常要背負防彈衣、武器、彈藥、水瓶、收音機、夜視鏡、備用電池等將近45千克的重裝備，在崎嶇地形上很難跟上裝備精良的恐怖分子，更不用說膝蓋、背部和腳踝的大面積損傷。美陸軍已經在投資研製機器人騾子，幫助步兵搬運重物，一種更小、更簡單、幫助攜帶重物的可穿戴設備也是值得嘗試的一種方案。喬治亞理工學院生物醫學工程師亞倫·楊表示，首次迭代是為了支持膝蓋，但也可以應用到其他關節上。若增加氣動執行器和更加複雜的控制器，系統可以處理更大範圍的臀部和腳踝運動，進一步改善對下半身甚至肩膀的支撐，提高士兵攜帶和攀爬的上半身力量。

由於主要動力源是一枚2.3千克的壓縮空氣罐，這款氣動、靈活的系統比剛性金屬外骨骼輕得多，穿戴不需要花費太多力氣，結構中的金屬更多，電池更小。軟體本身也不太容易對穿戴者造成意外傷害，更容易適應不同的體型，關閉或拆解沒有負擔。但與剛性系統相比，這種技術還不夠發達。即使在充分發揮潛力的情況下，軟體系統也不能完全替代剛性系統的功能。正如洛馬公司外骨骼產品經理基斯·麥克斯韋所說，軟體外骨骼可以減少代謝值和運輸，為身體提供力量，減少士兵自身的熱量消耗，但是無法像剛性外骨骼一樣轉移穿戴者的負重。

混合解決方案

因此，麥克斯韋把軟性機器人看作是對正在開發的剛性外骨骼的補充，而不是替代品。當需要長時間搬運重物但又不遠距離走動時，可以使用剛性系統。在不需要攜帶太多東西但需要像特種部隊突擊隊員一樣靈巧、靈活、輕盈的時候，可以使用這款空氣動力外骨骼。對於介於兩者之間的場景，則可以組合使用。

剛性外骨骼依賴運動學控制。基本上，只要穿戴者的肌肉開始運動，肌肉就會推拉外骨骼，外骨骼檢測到運動後啟動執行器，使其同步運動。但這個方法存在一個問題，會有滯後期——穿戴者已經開始移動，但外骨骼還沒有開始移動，對使用者的運動產生很大阻力。這是剛性外骨骼尚無法解決的缺陷。

為解決遲滯問題，新的控制器方案應運而生。智能機器人的微型生物感測器提供了一種新的選擇：在肌肉運動開始前即檢測肌肉運動。名為「肌電圖」（EMG）的技術可以「在產生力之前從肌肉中捕捉這些信號」，大約能夠提前100毫秒，足以讓軟體外骨骼軟體計算出哪塊肌肉將要運動，運動程度，然後命令執行器對出反應。沒有延遲，也不產生阻力。

肌電圖控制系統本身就是一種軟性機器人，但同樣可以植入堅硬的外骨骼，讓它對穿戴者的動作做出更靈敏的反應，因此洛馬公司看到了最大程度發揮二者優勢的可能：用靈活系統的響應性和靈敏性匹配剛性系統的力量和強度。這樣的組合可以讓士兵背負重型武器和盔甲，但依然可以敏捷地爬上山坡。外骨骼將從穿戴者的負累變成人體的延伸。

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