《流浪地球》裡的那些超級科技：負重10噸從上海走到杭州只要3小時，這是什麼騷技術？
關於《流浪地球》中的那些超級科技，在前幾天的文章中，小編已經簡單講述了太空旅行方面可能遇到的問題及解決方法，其中涉及到的豐富知識和先進技術令人歎為觀止。不過，太空旅行終究還是一件離我們比較遙遠的事，電影中一些相對接地氣的技術，更值得我們關注。
在《流浪地球》中，有一幕給小編留下了深刻的印象。當一行人放棄車輛，從上海中心大廈逃出後，有救援隊隊員表示，如果急行軍的話，他們可以在3小時內到達杭州發動機。
雖然電影沒有給出杭州發動機的具體位置，但小編查了一下，從上海中心出發到杭州，最近的餘杭區也在140公里以上，換句話說，劇中的救援隊徒步行進速度可以達到接近每小時50公里，這個數據是相當恐怖的。通常情況下，一個成年人的步行速度不過4-7公里/小時，而物理書的取值是6公里/小時，影片中的速度一下子加快了8倍多。
這還是在沒考慮到他們負重的情況下。電影中，救援隊在上海已經失去了車輛，而他們還要負責運送那顆“火石”。電影沒有給出火石重量，但我們可以簡單推算一下，火石既然是用來點燃重聚變發動機，引發聚變反應的材料，那麼應當是一顆核彈。看它圓滾滾、比人略高的樣子，體積可能和二戰時的核彈“胖子”差不多。“胖子”重達4.5噸，再考慮到現在的核彈密度大得多，估計火石的重量至少在10噸以上了。
也就是說，救援隊一行5、6個人，前拉後推帶著一個10噸以上的物件，徒步速度還能達到50公里/小時，這種遠超人體極限的運動能力，憑什麼?
影片末段給出了答案：當救援隊員憑3人之力推動巨大的發動機撞針時，他們身上穿的那一層裝甲開始冒煙，內部開始有聲音提示“功率過高”。這說明，他們外面的這套裝甲正在給他們提供助力，而救援隊的急行軍，靠的也是這套外骨骼提供的動力，這就是動力外骨骼系統。
動力外骨骼大概可定義為一套穿在或套在人類軀體之外，自有動力驅動各個關節，根據人體肢體活動通過感應、伺服、驅動裝置使相應部位的機械產生相同動作的設備。目的是在速度、力量、耐力等方面用機械動力提升人類運動能力。相較於影片中“重聚變反應堆”這種充滿想象力的科技構想，外骨骼更加貼近現實，它不僅在軍事領域的開發已有一段時間，如今也正慢慢走入商用和民用領域。
80年前的腦洞
和眾多先進概念一樣，外骨骼最先出現在作家和漫畫家的腦洞中。如果不算19世紀的蒸汽動力助動裝置，那麼最早的全套外骨骼裝甲概念最早呈現於美國小說家史密斯1937年創作的科幻小說《透鏡人》(Lensman，後改編成日本動漫《蘭斯曼》)中。1959年的《星船傘兵》則讓軍用動力裝甲的概念深入人心。
在常見的影視動漫裡，經常有人分不清常見的“機甲”和“外骨骼”的差別。一般來說，動漫迷們把有人形大小駕駛艙的機器稱為機甲，把穿在身上的整套裝備稱為動力外骨骼。
不過，從科技角度看，更科學的區分方法是，如果是像駕駛交通工具一樣，用搖桿、方向舵之類設備駕駛的，都可算作機甲，如果使用高科技貼身伺服系統來感應人類肢體動作，利用額外動力驅動相應部位的機械肢體完成相同動作，則可以算作外骨骼機甲。
目前，對外骨骼的巔峰構想當屬《鋼鐵俠》裡的那一套，鋼鐵俠身上的盔甲，不僅可以準確感知使用者的動作意圖，而且其動作的靈活性也堪比人體，其動力更是比人類自身高得多，堪稱完美。
根據國外的專利數據，關於外骨骼研究的申請和公開專利，最早可追溯到20世紀70年代。不過，要說真正開始發展，還是要等到20世紀初。根據專利和文獻數量，外骨骼研究從2000年後開始增加，在2010年左右進入快速上升期。從專利分佈來看，對外骨骼研究最火熱是軍事和醫療領域。
不過，至今為止，人類在外骨骼方面的進展不僅達不到鋼鐵俠最初的版本，甚至連可以實用的全套外骨骼也少之又少，因為這個領域的技術難點實在太多。
80年後的困難
動力供應
動力外骨骼工程師面臨的最大困難當屬動力問題。現在世界上根本沒有足夠能量密度的電源，可以維持一臺全身動力的外骨骼續航幾個小時以上。想想看，像電動汽車那麼大體積的設備，配備專門的電池倉，續航里程也不過300-400公里，人體大小或者稍大點的設備，續航更不容樂觀。更何況，一些模仿人體的複雜動作，可能比單純驅動電動車前行要消耗更多能量。
當然，在電影裡這不是問題。電影中救援隊50噸的運載卡車能在5分鐘加滿能源，這種快充技術給動力外骨骼充電那更是輕輕鬆鬆的事(5分鐘充滿50噸卡車能源，也說明不是加的燃油)。另外，電影裡的卡車從杭州開了3000多公里到馬尼拉才加油，說明電池能量密度也取得了重大提升。只是不知道這種革命性的技術突破什麼時候才能真正出現?
有科學家設想過採用電化學燃料電池，如固體氧化物燃料電池(SOFC)。這種電池充電快，燃料攜帶方便，還可以輕易地在野外找到甲醇等替代燃料進行補充。唯一的遺憾是，這種電池需要在極高溫才能工作，一般認為是600℃，現在暫時還沒有相關技術突破。
材料
初期的外骨骼實驗通常使用廉價且易成型的材料，如鋼鐵和鋁。然而，鋼鐵太重，動力外骨骼的動力大半損耗在克服自身重量上了，導致效率偏低;鋁合金重量雖輕，但又容易疲勞失效，在重量級任務中可能會損毀，反過來傷害使用者，這是不可接受的
在逐步摸索過後，工程師們開始採用更昂貴、更堅固、但重量更輕的材料，如鈦，同時，如模壓碳纖維板之類新的構件施工方法也極大改善了外骨骼的結構強度。
驅動結構
強度和重量的矛盾同樣出現在機械驅動的選擇上。傳統的液壓設備功能強、精度高，但其軟管和執行機構的液壓缸內充滿液體，導致其重量相當大。此外，流體運動本來就難以精確預測，如果要外骨骼像人類關節一樣做出高度複雜的動作，可能會給液壓系統帶來沉重壓力。同時，加壓液體如果發生洩漏，對穿戴者也是十分危險的。在巨大壓力下，洩漏噴射出的射流可以輕易穿透皮膚，造成傷害。
一般來說，伺服電機利用高高斯永磁體和降壓齒輪提供高扭矩和響應運動，效率更高，功率密度更大。齒輪伺服電機也可以利用電子制動保持在一個穩定的位置，同時消耗最小的電力。
此外，基於對人體四肢剛度控制的思想，科學家還提出了新的彈性驅動器和其他可變形驅動器設想。其中氣動人工肌肉被認為是相當有前途的一種。在這種驅動機構中，氣缸負責驅動人工肌肉作推拉動作，模擬人體的肌肉運動。它可以提供很大的力量，而重量卻比較小。多個氣動人工肌肉可以按任意方向、位置組合，不需要整齊的排列。
關節的靈活性
如何保證靈活性，從研發硬殼宇航服以來，這個問題就深深困擾著科學家。例如，臀部和肩部的關節是球關節和窩關節，其旋轉的中心在內部。如果使用外部單軸鉸鏈點，外骨骼很難精確匹配球關節的運動，限制了佩戴者的靈活性。
但如果在外骨骼肩部或髖部添加一個單獨的球關節，當這個球關節在其運動範圍內旋轉時，膝關節或肘關節的位置長度會變長或變短，導致關節與佩戴者的身體錯位，這對外骨骼的適配設計又是一個考驗。
動力控制與調製
在動力控制方面，外骨骼需要解決2個問題，如何獲得力和如何輸出力?外骨骼需要採集到人的意圖，從而把意圖變成電機/液壓的合適的輸出力，獲得人類意圖有2種方式：直接獲取操作者意圖和間接獲取操作者意圖。
直接獲取意圖的方式主要是採集人體生物信號，包括腦電信號、心電信號、肌電信號、眼電信號、腦磁信號等，目前用得最多的是肌電信號和腦電信號，但依照現有的技術水平，在數據噪音、建模和校準方面都困難重重。
另外一些間接獲取的操作者意圖的方法，主要是通過外骨骼硬件檢測信號來估計人類意圖，但這種方法無法區分操作者的力和外力，這樣的話外界的力也會使得外骨骼機器人判斷出錯，有可能導致外骨骼機器人不穩定或者失控。
獲取操作者意圖之後，輸出又是一個問題。在沒有記載計算機控制的情況下，如何按照操作者意圖實現前進/保持/反向位置控制，這遠遠不是安裝一臺單速輔助電機就能解決的事。比如，若機器感應面過於智障，穿戴者輕易就能觸發外骨骼的動作，很容易做出超出穿戴者預期的動作，接著穿戴者會下意識做出反向調整，這一動作又被外骨骼放大，這麼循環下去，會引發無法控制的高速振盪運動，導致穿戴者受傷。
現狀
和大多數科技裝備一樣，目前位於技術領先地位的還是軍方，美軍是其中的佼佼者。DARPA在2000年就開始了名為“增強人體機能的外骨骼”項目研究，近年來已經開花結果，其中包括洛克希德·馬丁公司為美軍打造的一款負重量達到90.7KG的HULC外骨骼系統，而雷神公司也正研發可幫助士兵進行戰機加掛彈的外骨骼系統(XOS2)。
相較而言，由於人口老齡化等因素，亞洲國家在醫用外骨骼方面的投入更多，日本更是當之無愧的領軍人。作為日本動力外骨骼行業的老大，Cyberdyne在2004年推出了首款外骨骼HAL-3，用於輔助下半身殘疾人行走。
隨著此後多次更新，HAL的功能越來越豐富。2012年，HAL被當做福島清理工作輔助設備被送往福島災區，上面的最新技術可以監測使用者的健康信號，還能為穿戴者提供“屏障”，保護佩戴者免受輻射和其他健康風險。
相較於日本，由於國內老齡化形勢還沒那麼嚴峻，需求也沒那麼急迫，在這方面的發展略微落後一些。目前，國內對動力外骨骼的研究大多還處於學院之內，民間力量參與不多。在日本，外骨骼機器人被視為一個市場機會。而在中國，它可能仍然被認為是一種概念性的技術——至少在醫療領域仍是如此。