刚性外骨骼的设计理念来自对人体骨骼的仿生,采用刚性连接杆与肢体并联,对关节施加力矩,目的是代替人的骨骼和关节来跑跳和负重。目前最具代表性的产品是美特战司令部与国防高级研究计划局合作的“战术突击轻甲”(TALOS),其具有以下特点:一是融合了传感、控制、信息耦合、移动计算等综合技术,主要通过液压驱动仿生外骨骼模拟人体动作,在穿戴时能智能分配重量,减轻负重对身体的影响。二是采用低成本工艺技术。目前研发团队已经使用3D打印技术造出了多达800个碳纤维外骨骼组件,降低了TALOS
的研发成本,三是应用轻量化材料。TALOS外骨骼采用钛合金材料制成,质量更轻,强度更高。四是防护能力高。TALOS所使用的26片外骨骼装甲主要提供胸、背以及头部的防弹能力。未来TALOS将现有的18%防护面积提升到60%,对士兵的防护效能提升到更高的层次。
柔性外骨骼类似于智能作战服,无论感知还是执行机构都充分考虑人体的柔性特征,通过感知生理信号预判人体动作。由美国国防高级研究计划局投资研制的“勇士织衣”是这类产品的典型代表。目前,在美国国防高级研究计划局支持下,哈佛大学怀斯(Wyss)生物工程研究所、SRI国际公司分别推出了各自的“勇士织衣”样服,即“超柔”(SuperFlex)外骨骼和“柔性外骨骼服”(Soft Exosuit),两种“勇士织衣”具有以下特点:一是集成创新性强。SRI公司的“超柔”外骨骼,集成了柔性支架(Flex Grip)、柔性驱动(Flex Drive)、柔性控制(Flex Control)系统以及e-Flex电控系统等新系统,其中,e-Flex电控系统是一种刚度可变的轻型电控弹簧,能够存储能量,并限制运动范围,避免人体损伤或疲劳。二是应用能源调节技术。传感器可预知穿戴者的运动,能在精确的时间内根据需求启动外骨骼,与始终需要启动或驱动的外骨骼相比,电池使用寿命更久。三是采用全柔性结构技术。哈佛大学怀斯生物工程研究所研制的“柔性外骨骼服”(Soft Exosuit)采用大量织带,可以包裹穿戴者的腰部和腿部,具有通过提升生物肌肉潜力改善步态的作用。四是能耗大幅降低。经过5年的设计与测试,目前已完成了15套“勇士织衣”样衣的试验室与室外测试,取得了减少10%体能消耗的重大成果,下一步目标为减少25%的体能消耗。
——摘自《国外军用助力外骨骼装备发展路线》
