A前瞻官网
前瞻网
a 当前位置: 前瞻网 » 资讯 » 产经

《流浪地球》里的那些超级科技:负重10吨从上海走到杭州只要3小时,这是什么骚技术?

分享到:
 黄琨 • 2019-02-14 16:45:00 来源:前瞻网 E5437G0
100大行业全景图谱

流浪地球

关于《流浪地球》中的那些超级科技,在前几天的文章中,小编已经简单讲述了太空旅行方面可能遇到的问题及解决方法,其中涉及到的丰富知识和先进技术令人叹为观止。不过,太空旅行终究还是一件离我们比较遥远的事,电影中一些相对接地气的技术,更值得我们关注。

在《流浪地球》中,有一幕给小编留下了深刻的印象。当一行人放弃车辆,从上海中心大厦逃出后,有救援队队员表示,如果急行军的话,他们可以在3小时内到达杭州发动机。

虽然电影没有给出杭州发动机的具体位置,但小编查了一下,从上海中心出发到杭州,最近的余杭区也在140公里以上,换句话说,剧中的救援队徒步行进速度可以达到接近每小时50公里,这个数据是相当恐怖的。通常情况下,一个成年人的步行速度不过4-7公里/小时,而物理书的取值是6公里/小时,影片中的速度一下子加快了8倍多。

这还是在没考虑到他们负重的情况下。电影中,救援队在上海已经失去了车辆,而他们还要负责运送那颗“火石”。电影没有给出火石重量,但我们可以简单推算一下,火石既然是用来点燃重聚变发动机,引发聚变反应的材料,那么应当是一颗核弹。看它圆滚滚、比人略高的样子,体积可能和二战时的核弹“胖子”差不多。“胖子”重达4.5吨,再考虑到现在的核弹密度大得多,估计火石的重量至少在10吨以上了。

也就是说,救援队一行5、6个人,前拉后推带着一个10吨以上的物件,徒步速度还能达到50公里/小时,这种远超人体极限的运动能力,凭什么?

影片末段给出了答案:当救援队员凭3人之力推动巨大的发动机撞针时,他们身上穿的那一层装甲开始冒烟,内部开始有声音提示“功率过高”。这说明,他们外面的这套装甲正在给他们提供助力,而救援队的急行军,靠的也是这套外骨骼提供的动力,这就是动力外骨骼系统。

外骨骼

动力外骨骼大概可定义为一套穿在或套在人类躯体之外,自有动力驱动各个关节,根据人体肢体活动通过感应、伺服、驱动装置使相应部位的机械产生相同动作的设备。目的是在速度、力量、耐力等方面用机械动力提升人类运动能力。相较于影片中“重聚变反应堆”这种充满想象力的科技构想,外骨骼更加贴近现实,它不仅在军事领域的开发已有一段时间,如今也正慢慢走入商用和民用领域。

80年前的脑洞

和众多先进概念一样,外骨骼最先出现在作家和漫画家的脑洞中。如果不算19世纪的蒸汽动力助动装置,那么最早的全套外骨骼装甲概念最早呈现于美国小说家史密斯1937年创作的科幻小说《透镜人》(Lensman,后改编成日本动漫《兰斯曼》)中。1959年的《星船伞兵》则让军用动力装甲的概念深入人心。

在常见的影视动漫里,经常有人分不清常见的“机甲”和“外骨骼”的差别。一般来说,动漫迷们把有人形大小驾驶舱的机器称为机甲,把穿在身上的整套装备称为动力外骨骼。

不过,从科技角度看,更科学的区分方法是,如果是像驾驶交通工具一样,用摇杆、方向舵之类设备驾驶的,都可算作机甲,如果使用高科技贴身伺服系统来感应人类肢体动作,利用额外动力驱动相应部位的机械肢体完成相同动作,则可以算作外骨骼机甲。

目前,对外骨骼的巅峰构想当属《钢铁侠》里的那一套,钢铁侠身上的盔甲,不仅可以准确感知使用者的动作意图,而且其动作的灵活性也堪比人体,其动力更是比人类自身高得多,堪称完美。

根据国外的专利数据,关于外骨骼研究的申请和公开专利,最早可追溯到20世纪70年代。不过,要说真正开始发展,还是要等到20世纪初。根据专利和文献数量,外骨骼研究从2000年后开始增加,在2010年左右进入快速上升期。从专利分布来看,对外骨骼研究最火热是军事和医疗领域。

不过,至今为止,人类在外骨骼方面的进展不仅达不到钢铁侠最初的版本,甚至连可以实用的全套外骨骼也少之又少,因为这个领域的技术难点实在太多。

80年后的困难

动力供应

动力外骨骼工程师面临的最大困难当属动力问题。现在世界上根本没有足够能量密度的电源,可以维持一台全身动力的外骨骼续航几个小时以上。想想看,像电动汽车那么大体积的设备,配备专门的电池仓,续航里程也不过300-400公里,人体大小或者稍大点的设备,续航更不容乐观。更何况,一些模仿人体的复杂动作,可能比单纯驱动电动车前行要消耗更多能量。

当然,在电影里这不是问题。电影中救援队50吨的运载卡车能在5分钟加满能源,这种快充技术给动力外骨骼充电那更是轻轻松松的事(5分钟充满50吨卡车能源,也说明不是加的燃油)。另外,电影里的卡车从杭州开了3000多公里到马尼拉才加油,说明电池能量密度也取得了重大提升。只是不知道这种革命性的技术突破什么时候才能真正出现?

有科学家设想过采用电化学燃料电池,如固体氧化物燃料电池(SOFC)。这种电池充电快,燃料携带方便,还可以轻易地在野外找到甲醇等替代燃料进行补充。唯一的遗憾是,这种电池需要在极高温才能工作,一般认为是600℃,现在暂时还没有相关技术突破。

材料

初期的外骨骼实验通常使用廉价且易成型的材料,如钢铁和铝。然而,钢铁太重,动力外骨骼的动力大半损耗在克服自身重量上了,导致效率偏低;铝合金重量虽轻,但又容易疲劳失效,在重量级任务中可能会损毁,反过来伤害使用者,这是不可接受的

在逐步摸索过后,工程师们开始采用更昂贵、更坚固、但重量更轻的材料,如钛,同时,如模压碳纤维板之类新的构件施工方法也极大改善了外骨骼的结构强度。

驱动结构

强度和重量的矛盾同样出现在机械驱动的选择上。传统的液压设备功能强、精度高,但其软管和执行机构的液压缸内充满液体,导致其重量相当大。此外,流体运动本来就难以精确预测,如果要外骨骼像人类关节一样做出高度复杂的动作,可能会给液压系统带来沉重压力。同时,加压液体如果发生泄漏,对穿戴者也是十分危险的。在巨大压力下,泄漏喷射出的射流可以轻易穿透皮肤,造成伤害。

一般来说,伺服电机利用高高斯永磁体和降压齿轮提供高扭矩和响应运动,效率更高,功率密度更大。齿轮伺服电机也可以利用电子制动保持在一个稳定的位置,同时消耗最小的电力。

此外,基于对人体四肢刚度控制的思想,科学家还提出了新的弹性驱动器和其他可变形驱动器设想。其中气动人工肌肉被认为是相当有前途的一种。在这种驱动机构中,气缸负责驱动人工肌肉作推拉动作,模拟人体的肌肉运动。它可以提供很大的力量,而重量却比较小。多个气动人工肌肉可以按任意方向、位置组合,不需要整齐的排列。

关节的灵活性

如何保证灵活性,从研发硬壳宇航服以来,这个问题就深深困扰着科学家。例如,臀部和肩部的关节是球关节和窝关节,其旋转的中心在内部。如果使用外部单轴铰链点,外骨骼很难精确匹配球关节的运动,限制了佩戴者的灵活性。

肩膀

但如果在外骨骼肩部或髋部添加一个单独的球关节,当这个球关节在其运动范围内旋转时,膝关节或肘关节的位置长度会变长或变短,导致关节与佩戴者的身体错位,这对外骨骼的适配设计又是一个考验。

动力控制与调制

在动力控制方面,外骨骼需要解决2个问题,如何获得力和如何输出力?外骨骼需要采集到人的意图,从而把意图变成电机/液压的合适的输出力,获得人类意图有2种方式:直接获取操作者意图和间接获取操作者意图。

直接获取意图的方式主要是采集人体生物信号,包括脑电信号、心电信号、肌电信号、眼电信号、脑磁信号等,目前用得最多的是肌电信号和脑电信号,但依照现有的技术水平,在数据噪音、建模和校准方面都困难重重。

另外一些间接获取的操作者意图的方法,主要是通过外骨骼硬件检测信号来估计人类意图,但这种方法无法区分操作者的力和外力,这样的话外界的力也会使得外骨骼机器人判断出错,有可能导致外骨骼机器人不稳定或者失控。

获取操作者意图之后,输出又是一个问题。在没有记载计算机控制的情况下,如何按照操作者意图实现前进/保持/反向位置控制,这远远不是安装一台单速辅助电机就能解决的事。比如,若机器感应面过于智障,穿戴者轻易就能触发外骨骼的动作,很容易做出超出穿戴者预期的动作,接着穿戴者会下意识做出反向调整,这一动作又被外骨骼放大,这么循环下去,会引发无法控制的高速振荡运动,导致穿戴者受伤。

现状

和大多数科技装备一样,目前位于技术领先地位的还是军方,美军是其中的佼佼者。DARPA在2000年就开始了名为“增强人体机能的外骨骼”项目研究,近年来已经开花结果,其中包括洛克希德·马丁公司为美军打造的一款负重量达到90.7KG的HULC外骨骼系统,而雷神公司也正研发可帮助士兵进行战机加挂弹的外骨骼系统(XOS2)。

相较而言,由于人口老龄化等因素,亚洲国家在医用外骨骼方面的投入更多,日本更是当之无愧的领军人。作为日本动力外骨骼行业的老大,Cyberdyne在2004年推出了首款外骨骼HAL-3,用于辅助下半身残疾人行走。

随着此后多次更新,HAL的功能越来越丰富。2012年,HAL被当做福岛清理工作辅助设备被送往福岛灾区,上面的最新技术可以监测使用者的健康信号,还能为穿戴者提供“屏障”,保护佩戴者免受辐射和其他健康风险。

相较于日本,由于国内老龄化形势还没那么严峻,需求也没那么急迫,在这方面的发展略微落后一些。目前,国内对动力外骨骼的研究大多还处于学院之内,民间力量参与不多。在日本,外骨骼机器人被视为一个市场机会。而在中国,它可能仍然被认为是一种概念性的技术——至少在医疗领域仍是如此。

本文来源前瞻网,转载请注明来源。本文内容仅代表作者个人观点,本站只提供参考并不构成任何投资及应用建议。(若存在内容、版权或其它问题,请联系:service@qianzhan.com) 品牌合作与广告投放请联系:0755-33069875 或 hezuo@qianzhan.com

p47 q0 我要投稿

分享:

品牌、内容合作请点这里:寻求合作 ››

前瞻经济学人微信二维码

前瞻经济学人

专注于中国各行业市场分析、未来发展趋势等。扫一扫立即关注。

前瞻产业研究院微信二维码

前瞻产业研究院

如何抓准行业的下一个风口?未来5年10年行业趋势如何把握?扫一扫立即关注。

前瞻经济学人 让您成为更懂趋势的人

想看更多前瞻的文章?扫描右侧二维码,还可以获得以下福利:

  • 10000+ 行业干货 免费领取
  • 500+ 行业研究员 解答你的问题
  • 1000000+ 行业数据 任君使用
  • 365+ 每日全球财经大事 一手掌握
  • 下载APP

  • 关注微信号

前瞻数据库
企查猫
前瞻经济学人App二维码

扫一扫下载APP

与资深行业研究员/经济学家互动交流让您成为更懂趋势的人

下载APP
前瞻经济学人APP

下载前瞻经济学人APP

关注我们
前瞻经济秀人微信号

扫一扫关注我们

我要投稿

×
J