弹力腿！

“被动外骨骼”是相对于“动力外骨骼”而提出的一个比较新的概念。由于“动力外骨骼”的动力依赖，续航能力在当前动力技术限制下，严重影响其实际应用，因此，“被动外骨骼”技术自然被提到人们的关注之中。
当前我们见到的“被动外骨骼”技术大约有以下几种：
一、弹簧蓄能，绞结框架式：
例如：图1 XPED2被动外骨骼

这种装置出现比较早，但由于结构复杂、臃肿、实用性差，人们使用较少。
二、重力支架式：
例如：图2 美国洛克希德马丁公司为美军研制的外骨骼装置

这种装置适用于定位站立，负重操作的岗位，站立时全部重量由支架支撑，但是移动不便。优点是结构简洁，便于制作。
目前，日本的科技工作者也在试制类似结构的装置。
国内的科创企业也在研发制作此类装置。
如图3 腰部支撑装置

如图4 普力负重外骨骼装置

这种装置的最初创意十分简明，就是把“动力外骨骼”的动力系统拆除，仅保留基本机械结构，用人力来替换原来的动力系统。当然是准备减轻负荷的。但是，这个科技路径看起来简单直接，其实是此路不通。道理很简单，就如现在玩的平衡车，去掉了电控和动力，人就没法玩了。这与负荷大小没有关系。美国人为了给陆战队士兵减负，先是设想使用动力外骨骼，但是由于动力问题碰壁。2014年7月5日美国《华尔街日报》网站报道：“美国军方向加拿大研究人员求助，以研发一款无动力驱动的外骨骼战衣替代品”。现在我们看到，美国军方没有得到相应的帮助，只能向部队提供目前这种“重力支架式”的定位站立被动外骨骼，陆战队员所需的那种可以“负重行走的被动外骨骼装置”现在尚不知音信。
三、超轻被动加固士兵外骨骼：
这是加拿大和澳大利亚的科技人员基于人体体重分配理念，及有效分配负重
的原理，而正在研制的一种装置。这项研究始自2005年，其创意来自科研人员对人体骨骼生理形态的功能开发。科技人员发现人体骨骼结构十分合理，有巨大的承重潜力待于开发。所以研发了一种可以紧密贴附人体的背、腰和腿部的仿生外骨骼结构，有点像医用的“护腰”、古代士兵用的“绑腿”和举重运动员用的宽大的腰带，对人体各部位进行加固，并将各部位进行适当的连接和重力传递，最终把重力传递到地面。从而达到加强士兵负重能力的效果。这就是2014年美国求助加拿大的原因，但经考察和研讨，双方感觉此方案不妥，不能达到美方预期，而作罢了。
2018年3月6日--8日，加拿大mawashi公司生产的UPRISE战术外骨骼和其他外骨骼制造商参加了在比利时维尔沃德军事基地举行的研讨会，会中展示和论证了其实际运用能力，这是由北约反恐工作计划委员会赞助的，基于制定支持爆炸品处理操作者对于战术集成外骨骼的“最低军事要求”的总框架，调查证明，目前市场上可用的外骨骼技术如何对排爆队的作业提供直接协助。
见图：UPRISE战术外骨骼






由图中可以看到，这种外骨骼虽然结构组成很仿生，创意新颖，但其负重和驱动的结构方式与“重力支架式”基本一致（尽管把接地支撑移到了腿内侧），所以它还是继承了“动力外骨骼”的基因。因此，也存在着与“重力支架式”相应的弱点。图中可以看到，穿着此外骨骼的士兵其立姿在任何情况下都是跨步立，没有军人常规的双腿并拢的立正军姿。甚至在视频中显示的负重步行，也是两腿左右岔开的哈步。（所以把接地支撑移到腿内侧也无大碍。）

图11 重力支架式接地支撑参考

三、俄式被动外骨骼
图12

在图中可以看到：
1、主要活动关节都是一维运动
2、装置的主体与地面之间没有明确有效的支撑结构
在笔者看来，这种装置的展示，更像俄国人为了国家总体利益搞的一种战术谋略。不太好评价。
以上是笔者在网上搜寻及道听途说所汇集的一些资料，应该有一定的参考价值。基于此，笔者认为，以美军对被动外骨骼的研究状态，在当前世界上应是有一定的代表性。
很难理解，以美国为首的众多科技强国，其中包括俄、日、加、澳等科技群雄，在现代科技史上创造了多少奇迹，不可胜数，科技实力不容质疑，为什么在“被动外骨骼”这样一个近乎原始的简单机械面前步伐受阻呢？笔者大胆设想：这应该是思想方法的问题，也就是技术路径出了问题。不论何事，路线错了，能力再强，努力再大，付出再多，也无济于事。
我们在这里说“被动外骨骼”是当前科技界提出的一个“新概念”，然而，在中国的历史学界对这个概念并不觉得陌生。
包括《三国志》在内的多部正史古籍中，明确记载有：一千多年前的三国时期，蜀人为军事需要，在秦岭的崎岖山路上，使用一种运输工具，可以随人同步，替人负重，可使“人不大劳”，即可以有效的减轻人的运输工作强度。这一运输工具的工作环境、工作形式和工作特性与现在科技界所说的“新概念”“被动外骨骼”完全一致，但在古籍中其名曰“木牛流马”。而且无独有偶，中国的史学界长期以来（数百年来），特别是近代对“木牛流马”进行了不间断的深入研究，在史学界专家、泰斗的理论指导下，众多的能工巧匠尽展才华，梦想对“木牛流马”进行复制。时至今日，与当今科技界对“被动外骨骼”的研制工作现状有异曲同工之似。
很难想象，从事这两项研究的都是人间精锐，一方是国际科技强国集团，一方是国学泰斗，理论权威指导下的天下无数能工巧匠。这两方研制的又是如此性能相同的课题，至今又是遇到了如此相同状态。
这两方的科技实力和理论水平都是世界顶级，斗胆设想，问题还真可能是出现在“思想方法，即技术路线出现了偏差”。这应该是一种合理的解释。
话到此处，笔者产生一个天真的想法：两方不妨就势调整一下思路，“新概念”方借用“木牛”的思路来研制外骨骼；“木牛”方借用“新概念”的思路去研制“木牛”。
堡垒久攻不下，正确的方法是换一种攻击方式，调整一下思路，从不同的视角进行观察，会对局势有一个更全面的认识。“横看成岭侧成峰”，多视角拍摄才能得到全息照片。
最后的结果，可以肯定的是两方面都会取胜，更有趣的是，大家可能最后发现两方攻克的原来是同一座堡垒。
这不是老木常青临时起意的信口胡说，更不是老谋深算的妖言惑众，只是希望此言能对大家的研制工作提供一点参考。
行文至此，笔者心中暗忖，此文一出，必然在两方都讨不到彩头，美国人会骂道：“我这被动外骨骼尚无着落，你却让我去研究你们中国人自己都没搞清楚的什么’木牛’，居心何在？”国人也骂：“这’木牛’为何物还在挣得面红耳赤，你却把高科技’外骨骼’扯了出来，这是解难还是添乱呢？”
诸君莫急，笔者一向擅于把复杂繁乱的事物分解成简单、易辨的问题进行对比思考。
日前，为破解外骨骼系统动力依赖的难题，中国工程师研制成功无动力驱动的人力外骨骼（也称“被动外骨骼”）负重步行装置二部样机，制造成本相当于一辆自行车。
其中一部：自重3.3公斤，额定载重10公斤。另一部：自重8公斤，额定载重32公斤。
注：载重数据为随机测试，未做破坏性极限试验。样机使用钢材做主材制成，若使用铝合金或碳纤维复合材料其自重与载重比值会有大幅改善。
使用者穿戴这种外骨骼装置，在额定载重量内负重行走，身体无负重压力；在超过额定载重量的情况下，身体负重压力=实际载重量-额定载重量。其可以在平路上行走，也可以上下楼梯，上下楼梯时选用不同的攀爬模式可以省力50%——70%，对上下楼梯的负重者、肢疾者具有有效助力功能。该装置对人体腰腿有支撑、减压和保护作用。能有效减轻或消除负重压力。行动灵便，无束缚感。
徒步旅行、野外摄影是现代人的时尚活动，令人向往，也令人怯步。被人们戏称为“驴友”的这项活动既需要体力和耐力，更需要一种拼搏的精神，不是常人能享受的。可不论如何，游玩、休闲终归是现代人紧张生活节奏的一种放松，太体力、太拼搏总有不妥。
近日中国工程师把“被动外骨骼”进行了功能拓展——增加了辅助功能手臂，拓展成“个人摄影、电信移动平台”，使“徒步旅行，野外摄影”真正成为一种休闲。








以上所谓世界首款“被动外骨骼”其实不过是游戏之做的玩具而已，虽不为大雅，但也有趣。其原理是依《三国志》注记的“木牛流马法”其中的秘要提示而研制完成的。其性能优劣且不论，只从附图对比一下此物与前面介绍的各国制作的“动力外骨骼”、“重力支架式被动外骨骼”和加拿大的“超轻被动加固外骨骼”之间外观的重要区别：中国的这副“玩具”与人体之间的联系如同平常一样，穿着鞋、束着腰带、挎着背肩；而其余类型的装置除了要穿鞋、束带、背肩之外，都要把双腿多重绑缚，特别是加拿大型把全身上下固定得像一只粽子。由于这些区别我们可以判断，这是两种完全不同的设计理念，走的是不同技术路径。
如前文所述，当前世界各国研制的“被动外骨骼”走的是“动力外骨骼”的技术路线，“动力外骨骼”的技术路线是沿承西方科技早期以来的“机械动力驱动”的传统理念，其核心是“用动力机械驱动执行机构”。即用机械驱动机械，以动力机械为主，为核心，强力执行。所以在这个理念中，“外骨骼”是执行机构，人体是负荷。必须强力执行。人与装置之间是互相干涉的关系。因此，人与装置之间必然要绑缚结实，才能安全顺畅运行。这和西方传统至今的思维模式是一致的——只要拥有足够的动力，一切捆缚结实，系统即可安全运行。至于在系统中的负荷是何状态，则在其次。在这系统中，只要失去动力，或者动力不足，整个系统便不知所措了。
然而中国的传统理念是“天人合一”，是“和谐”。一千七百多年以前的三国时期，中国的科技工作者没有合适的动力机械可用，甚至驮牛驮马在秦岭的山路上也无法运行，他们唯一的选项就是人力。为减轻人的劳动强度，而达到在山路运输的目的，“木牛”就因运而生。因此，“木牛”是以人为主，装置是辅助，人与装置之间是一种和谐互助的关系就成为必然。人体需要有充分的活动边界，装置随之而动。
所以国人造的这个“玩具”是依托的这样一种思维，走的是这样一种技术路线，与“动力外骨骼”相比较，是完全相反的路线。虽然只是玩具，但在一定程度上体现了充满古代东方文化基因的中国智慧。
可以设想，当“木牛”重获新生之日，也就是“被动外骨骼”诞生之时。只待诸君拭目。
独领世界千年，
今日仍无比肩。
竟然古法小伎，
更堪科技绝先。

人体外骨骼项目，很好

2018年7月25日作为“新考”系列文章的启动篇“纯人力外骨骼—中国古代科技传奇—诸葛木牛流马真实再现”在网上公开发表，受到网友的关注和评论，笔者在与网友交流之际又陆续行文多篇。在“新考再述下篇”中曾放言：“如果人们不能好好学习汉语，特别是中国古汉语，如果读不懂‘407字’，不懂中华文化思想，恕笔者肆言，再给十年，也不一定能长出梦想中的腿来”。这个腿就是指被动外骨骼的既可以承重，又可以灵活随动的下体结构。
虽是老木一时妄肆之言，不期周年及至，竟然一语成谶。环视各种媒体报道，尽查坊间传闻，已知的“被动外骨骼”装置均不能与“铜腰铁腿”——按“木牛流马法”秘要提示而研发的“被动外骨骼负重步行装置”比肩而论。即当前“被动外骨骼”的技术研发仍处于停滞状态，不禁令人嗟叹。难不成真要让谶语十年吗？
老木退休，十年宅翁，国家康泰，衣食无忧，为不靡资源，所以工勤、笔耕两相不辍。草就拙文，又借网络之便，直抒胸臆，畅快口舌，以飨读者，也是一番乐事。
又悉，2019年5月，北京航空航天大学的青年科创团队，正在筹建一家名为Moonwalk月行有限责任公司的科创企业。以被动式微重力模拟器的研发为发展方向。致力于将微重力模拟技术应用于生活。目前开展的业务主要面向运动康复医疗领域和太空体验——商业科普领域。旨在通过公司的商业运作，使被动式微重力模拟技术惠及更多人。
公司商标以“月”字为主体，其中的“M”和“W”既是“月”字的组成部分，又代表英文MOONWALK，取其月球漫步释义，体现了公司产品可以实现微重力模拟，模仿月面失重环境的功能。同时，标志整体又像一个脚印的形状，取阿姆斯特朗登月的“这是我个人的一小步，却是人类的一大步”之意，表明了公司将为推进航天相关技术的发展而不懈努力的决心。（见图标1）

该公司目前已有被动式微重力模拟器原型机产品，经初创团队测试，其有应用于运动康复和商业科普的可行性。该产品基于势能守恒原理，主体为机械结构，可在无动力输入的条件下为穿戴者提供恒定的重力补偿，并且具有符合人类运动习惯的多个自由度。（见测试图2）

图2 初创团队正在测试被动式微重力模拟器
图3主要应用于下肢损伤患者的术后康复，稳定性高，更舒适；
图4加装了VR设备，增加了视觉沉浸效果，应用于商业娱乐和科普，体验效果更好。

图3 图4
该公司还对“减重步态训练器市场”和“太空体验市场”进行了调研和分析（见市场调研图5）和（竞争分析图示6）。

图5—1

图5—2

图6
笔者将以上资料与“铜腰铁腿”进行对比，发现诸多一致功能及相互优劣，并觉“铜腰铁腿”犹胜一筹。遂费工勤，先制“微重力模拟”装置（见图7），

图7
再进行微重力步态（减重步态）模拟测试（见老木进行微重力体验测试图8），

图8
在测试中取得了相关数据后，遂对“铜腰铁腿”进行功能拓展，加装恒定重力补偿装置，由此，将被动外骨骼的负重能力，拓展为承载人体重量的能力。做到既可载物，又可乘人。经测试，为使运行平稳不宜将全部体重乘于装置上，根据“铜腰铁腿”的负重能力，可将人体50%左右的重量乘于装置上，最多不要超过75%（见测试图9）

图9
在恒定重力补偿装置的帮助下，人的体重可以在微重力模拟器上控制在任意水平
因为超过75%后，人体脚下太过轻飘，重心控制需要技巧训练才行，相当于不会骑车的人学会骑车的过程。

至此，“铜腰铁腿”已经具有以下功能：
1、平路负重行走：在装置额定负重能力内，人体不受负重压力。（图10）

图10
2、上、下楼负重行走：将运行模式选择手柄置于相应位置，可省力50%—70%。（图11）


图11
3、微重力模拟行走（人体着微重力模拟服具）：如同月面漫步，轻松飘逸。并可以微重力模式上、下楼梯，使上下楼梯更加轻松省力。上楼时，可以加强腿部的支撑力，下楼时可消除或减轻对膝踝关节的冲击力。（图12）

图12
4、隐形座椅功能：将运行模式选择手柄置于相应位置，可随处以坐姿休息（图13）

图13
不负众望，中国人的这款“玩具”还真就玩出花样来了。
中国已进入老龄时代，整个世界也在向老龄趋势发展，对于人类这是一个很难面对，又必须面对的难题。
常言道：人老腿先老。腰和腿是人类使用率最高，由于重力造成的机械性损伤最严重，因而也是最先呈现老化的肌体部分。腰腿痼疾是任何人也回避不了，任何医疗手段也无法根治和预防的人类病患。
而随着腰腿疾患加重，结果必是行动受限，终归卧床。社会负担、家庭噩梦则至。
“铜腰铁腿”技术是帮助缓解这一难题的有效方案。使用这一技术，负重者（必须随身携带和使用重装的人员，如军人、消防员、排爆警员、防生化人员、登山运动员、徒步的“驴友”等）可以减轻工作强度，可减少腰腿损伤。老年人腰腿可随时得到支撑保护，而无需年轻人扶助。而且由于“铜腰铁腿”的外骨骼特点，当老年人不慎跌倒或受到意外冲击时，也可以起到一定的保护作用。“铜腰铁腿”，结构轻便贴身，穿戴方便，旅游、购物、乘坐公交、日常起居均可使用（组图）



可以有效突破老年人自理能力的时间空间限制，缓解老年群体对家庭和社会的拖累。对人类社会生产力提高及社会和谐可持续发展有着不可低估的作用。
总之，“铜腰铁腿”是人类得到的又一项最基础、最简单、最原始、最普遍有效的实用“新”技术，就像古代的弓箭，民间传统的纺车和近代的自行车一样，必将久远的造福人类，也是多年来老木工勤所图，笔耕之愿。
说它最基础、最简单是因为它源自民间的简单劳作用具，结构简单得不能再简单了。因此，它制造成本低廉，而且不需输入动力，不消耗能源，所以使用成本更低，没有噪音及任何形式的污染和排放；说它原始，是因为一千八百年前中国人就已经在使用了，它的工作原理是中国古代“人机工程”的经典杰作；而说它是“新”技术，是因为人们至今对它了解得并不多，认识得也不够。
朋友质诘，老木如此出言就不觉嘴角限行吗？话讲得太大了吧？凭心讲，此皆据实而论，有感而发，并非虚妄乖秀、哗众取宠之作。大则大矣，大实话啦。
正是：
华夏文明渊流永，
千古秘要惠众生。
犹使我辈承遗志，
诸葛智慧化太空。

这个也是木牛流马，申请专利绝对值