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如何打造一件钢铁战衣

来源:中国金属通报 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-01-20

【作者】:网站采编
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【摘要】:看过好莱坞电影《钢铁侠》的观众一定对钢铁侠的金属动力服印象深刻。钢铁侠战衣的动力核心是胸口的钯核心微电弧反应堆。这种反应堆不但能够驱动动力服在地面行动,而且可以驱

看过好莱坞电影《钢铁侠》的观众一定对钢铁侠的金属动力服印象深刻。钢铁侠战衣的动力核心是胸口的钯核心微电弧反应堆。这种反应堆不但能够驱动动力服在地面行动,而且可以驱动钢铁侠脚底下的离子发动机让其上天入海,甚至在手中凝聚成离子炮进行攻击。按照电影中的情节估算,钢铁侠动力服的反应堆每秒能产生大约30亿焦耳的能量,堪称发动机中的神器。在现实世界中,与之类似的单兵外骨骼技术已经在21世纪初取得了关键性突破,其实际应用前景也已受到多方的关注。

外骨骼是什么

外骨骼,全称动力外骨骼或动力服,由骨骼模样的框架组成,是可以让人穿上的机器。这个装备通过外置发动机、电池或者液压系统为人体提供额外能量供四肢运动,以增强穿戴者的力量和耐久力。

最早的外骨骼可以追溯到19世纪末。1890年,一位名为尼古拉斯·亚根的俄罗斯人发明了一种用压缩空气包作为动力的类外骨骼系统。1917年,美国发明家则开发了一种以蒸汽为动力的外骨骼。

但真正意义上的外骨骼动力服是1960年通用电气公司与美国军队共同开发的,当时命名为“哈迪曼”。通过液压和电机驱动结构,配合力觉反馈感应系统,穿戴者穿着这套装备举起150千克的物体就像举起6千克的物体一样轻松。这一切看似完美,但整机重达680千克的装备根本无法让穿戴者自如行走,而且系统反应速度极慢,穿上它每秒只能走76厘米,只有平常人正常步速的一半,最终被改装成机械臂。

在经历了20世纪60年代的笨重之后,外骨骼在1986年后进入快速发展阶段。当时,一位名叫蒙蒂·里德的美国人设计了一种叫“生命服”的外骨骼系统。蒙蒂曾是美国陆军游骑兵特种部队的士兵,但他在跳伞训练中背部受伤。蒙蒂在医院恢复过程中,从著名的科幻小说《星河战队》中“机动士兵动力服”的概念获得灵感,随后开发出了这一系统。2001年,“生命服”1号诞生。2005年,“生命服”12号创造了外骨骼步行的世界纪录—90分钟走完5.4千米,和正常人步行速度基本一致。现在,“生命服”已经发展到14号,一次充电能够走1.6千米、搬运92千克物品。

目前,世界上各种生产或正在研制的外骨骼型号有15个以上。除了美国以外,日本、韩国、欧洲也有很多企业和大学投入到外骨骼系统的研制。尤其是人口老龄化和低生育率问题异常严重的日本,对外骨骼技术有着异乎寻常的兴趣。日本佐川电子在2013年7月曾推出世界上第一台商用化外骨骼动力服,价格约合90万人民币,全球限量5台。

单兵外骨骼系统

世界各国的超级钢铁侠外衣

②日本研制的民用外骨骼装备

①“哈迪曼”机械臂

一般的单兵外骨骼系统包含六大部件:仿形机械结构装置、智能感应装置、控制系统、通信计算系统、执行机构和能源系统。工作原理一般是:系统通过在人体和外骨骼上的传感器感应人的运动信息、力学信息和生理信息。计算机负责处理各类信息,并通过预测和感知算法感知人体姿态、运动趋势和人与外骨骼之间的耦合度,控制系统将这些参数转换为控制参数,令能源系统驱动执行机构动作,实现辅助作用。

世界各国研发单兵外骨骼系统的根本目的就是提升单兵的战斗力。一是增强打击能力。士兵能携带更多、火力更大的武器装备,可以大幅提高单兵打击能力。由于大部分人能够拿起和携带的重量有限,过重的单兵装备会把士兵压垮,因此,借助外骨骼系统,士兵可以携带更多的装备和给养,进而提高士兵的战斗力。二是提高防护能力。由于外骨骼系统的承载能力远超人体,可以在其上加装适合单兵的复合材料装甲,将单兵防护提高到一个新的水平。三是提高机动能力。普通人走路的时速为6~10千米,但是士兵通常要携带很重的军需品,很难快速行进。外骨骼系统前后皆可负重,且可以提高士兵在水平地面的行进速度并持续最大速度,这将大大提高单兵的机动能力。四是提高战场感知能力。外骨骼系统可以加装传感器系统,以加强士兵的战场态势感知能力;还可以加装卫星通信和定位装置,让每个士兵都成为一个网络通信节点,指挥部可以清楚知道每个士兵目前所在的位置。

美国的“人体负重外骨骼”(HULC)是典型的单兵外骨骼系统。该项目由洛克希德·马丁公司(以下称洛马公司)研制,它是一种模仿人体结构特点设计的外骨骼装置,采用电池供电和液压驱动,利用单一电池充电器便能够使穿戴者背负约91千克的重物在全地形条件下步行20千米。穿戴人体负重外骨骼后,士兵能够完成爬行、深蹲、行走和上半身提举重物等一系列动作。人体负重外骨骼配有先进的微型计算机,以便与士兵的动作保持一致。人体负重外骨骼既可提高士兵的持久作战能力,又可降低士兵受伤的风险。

文章来源:《中国金属通报》 网址: http://www.zgjstbzz.cn/qikandaodu/2021/0120/610.html

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