电影《流浪地球》中的外骨骼漫谈

本来是想鸽一段时间再来填这个坑的,怎奈从学校返乡竟忘带电脑。工具的缺失让我如坐针毡,不如用手机写一写专栏里这种非技术性的话题。

当然本次漫谈是预设大家都看了小破球的,所以或多或少有些剧透。没看电影的快去看吧,求求您了。


引子

液压技术是一种古老的动力技术,从蒸汽动力技术延伸而来。它以流体作为传动介质,从而与电气动力的技术逻辑区别开来。

一个基本的液压系统主要由这几部分组成:

  • 动力源——液压泵
  • 控制元——阀
  • 执行元——液压执行器(驱动器、作动器)
  • 辅助元——闭合的液压管路及其他辅助元件
动图封面
一个简单的液压系统。左侧为溢流阀,控制总油路最大压力。右侧为单向阀,只对向油箱的流向开启。下方为单向变量液压泵,可调输出排量。中间的为4通中位M型电磁阀,左位正向油路,右位反向油路,中位执行器保持和液压泵卸荷。上方为液压缸,输出直线运动

液压系统传动的原理是,传动流体一般充满在液压系统中,通过动力源制造流体的运动,通过阀控制压力或压力的传输路径,执行元端在输入流体运动、输入压力和负载压力的共同作用下输出执行力或执行力矩,或者输出运动。

不管是什么作为液压泵的动力源,液压泵的输出总是转化成压力或者流量的。因此通常指的液压系统就是指液压传动系统,而为液压系统输入能量的(不管是电机还是内燃机),都不算在液压系统内。

由于液压系统所用的流体一般可看做不可压缩流体,流体又充满了管路,因此压力在管路中是通过机械波传导的,传导速度快。这种特性给了液压系统很高的控制带宽,对高频的控制信号也有很好的响应。也就是说,如果我想让执行器做一个快速的往返运动,它能跟得上

如果控制带宽低的话,你可以理解为执行器上面加了一个软弹簧,当我想拉它时,它得过一会儿才反应过来。气动系统一般用的可压缩的空气,因此控制带宽低,气管中就好像有弹簧连起来的似的。

由于液压系统可以方便地输出直线运动,且当油路中压力足够时输出力可以自动地与负载平衡。由于管路材料的强度优势,管路中可以存在大压力,因此可以用小体积的液压缸输出大力。

由于这些优点,液压系统经常被用在大负载场合,如大型工程机械中。逐渐地,液压系统逐渐成为了一种力量的代名词,液压系统中最常出现的液压缸也逐渐成为了力量的具现。

液压缸与工程机械,罗密欧与朱丽叶

电影《流浪地球》中的外骨骼

看过小破球的同学都知道,电影中共出现了两种外骨骼,一种是刘户口用的上肢外骨骼手臂,另一种是CN171-11特遣队配备的军用全身外骨骼。

上肢外骨骼手臂与指骨
全身型军用外骨骼

从开场户口的房间镜头,我们应该可以知道这个手臂外骨骼是他自己做的。身为未来世界的维修人员,在家也能倒腾出外骨骼装备,侧面反映了那时的科技水平,那时的外骨骼,可能就和现在的电钻一样常见。

桌上摆着外骨骼手臂,墙上也挂满了工具

刘启的上肢外骨骼在剧情中发挥了重要的作用。

开场手砸配电箱
危机时刻点爆“气球”
房子快塌时拉开监狱门
影片高潮装火石时的现场火焰切割。

刘启的上肢外骨骼贯穿了整个剧情,在各个剧情节点都发挥了重要的作用。技术推动情节,这正是硬科幻的特点。

上述情节也较完整地呈现了民用上肢外骨骼的三种用途:

  • 防护(防身)
  • 救援
  • 作业

先说防护用途。从开场的手砸配电箱就可以知道,这外骨骼在手部有保护用的金属指骨。这个用来打架(划掉)防身可真不错。

在砸完配电箱后,刘启当然不能继续穿着它在学校周围晃荡,所以在接下来的镜头中,我们发现外骨骼手臂就马上被收起来装在挎包里了。

刘启屁股上挂着的就是收起来的外骨骼手臂

如果外骨骼穿戴不方便,穿上要费半天功夫,那再便携也会限制它的通用性。在刘启与黑市老大发生冲突的那一幕里,从刘启捡起外骨骼到穿上,总共用时不到10秒。这种便携程度,可以媲美机车手套。

动图封面

带防护的金属指骨也应该能方便地取下。在后面有个吃饭的镜头,指骨翻到手背折起来了,手指能够灵活地使用筷子吃饭。

便携性和快速穿脱性,这两种技术指标的优化将会极大地提升上肢外骨骼的实用性,日常携带上肢外骨骼进行个人防护的可行性也大大增加。

再说救援用途。刘启的上肢外骨骼在救Tim出监狱时发挥了重要的作用。

在空间狭小的地方,无法使用大型设备来进行重物的搬运、障碍物的破坏,这时候小型的力量输出设备就能派上用场。比如汽车后备箱必备的千斤顶,就是一种救援设备。但是千斤顶缺乏柔性,它难以灵活地适应多种情况。因此结合了人体多自由度的灵活力量输出设备——外骨骼,就可以应对这些情况。

央视前阵子有一期《挑战不可能》,铁甲钢拳公司推出了一款全身外骨骼,去挑战抬汽车。有弹幕评论到:这不就是绑在腿上的两根千斤顶嘛?

虽然那款外骨骼做的确实粗糙,那个弹幕确实很形象地总结了那款外骨骼的机械特点。但是我觉得外骨骼的核心概念的确是“穿在身上的力量输出装备”。这个“穿戴”,很关键也很核心。

影片中,如果刘启提前带了一款能够撑开的监狱门的装备,例如墙上千斤顶,那他也能救Tim。

但是,他不知道要用到这种专用设备,就算带了,这个设备估计也无法用在后面火焰切割卡死的机械部件上,得再带一把火焰切割枪,

救援行动中,危机往往是无法预料的,不可能提前想好用一种专用设备去解决随机突发问题。蝙蝠侠的那种“我早就料到了”的故事看起来固然爽快,但现实没几个人会那么精确地料到。现实中最实用的往往是通用装备。一把小刀,便能应对大部分危机状况。一个通用机床,便能应对大多数简单零件加工问题。

而外骨骼的技术任务就很通用——增强人的力量。我们生活在一个为人设计的科技中,椅子的高度,车门的宽度,楼层的高度等等这些都是为人设计的。人能游刃有余地活动于这些人造物之间,那么贴身穿戴外骨骼后的人也能。人能灵活地处理各种突发事件,穿戴外骨骼后的人也能。外骨骼的通用性加上人的智能性,可谓以不变应万变。

再来说说作业用途。其实作业是一种工业用语,如焊接作业,切割作业等等。剧中刘启的外骨骼装备了一个小型火焰切割枪。

这个刘启与王磊对峙的镜头,体现了民用科技在军用科技下的弱势(过度解读.jpg)

上图可以清晰地看到切割枪的燃料罐与折叠式枪管。不得不说在现在科技下,做出这么小型的火焰切割枪,具备良好散热性且能长时间使用,已经是一大技术挑战了。

上文提到,即使外骨骼不装有切割枪,也可以随身携带一把独立的火焰切割枪。但是这样安排一是少了些科幻感,二是集成化是外骨骼的平台优势。手持的火焰切割枪现在已经出现了,为了营造一种未来的感觉,这种特种装备应该以另一种新的方式融入到影片中,因此将其常态化,变成一种如螺丝刀一样的工具,并集成在外骨骼上。

外骨骼有一个很重要的概念是平台装备,和汽车、手机一样,它提升的是单人的负载能力(对于下肢外骨骼来说),因此能集成很多东西到外骨骼上面去,如下文将要提到的军用全身型外骨骼,可以集成重型火力到一个人身上。

说的就是锤子

因此,外骨骼怎么不可以集成工业作业装备呢?不仅是火焰切割枪可以集成,电动螺丝刀、焊枪、搬运吸盘都可以集成上去。全身外骨骼就像一个可移动可操作的机械臂,现代工业机器人手部能装的模块,外骨骼都可以装。

虽然影片中刘启的上肢外骨骼质感很好,功能也很厉害,但是我也发现了一个设定上的bug。刘启的这个上肢外骨骼,只有腕关节与指关节,没有肘关节与肩关节的发力。人体拉门动作是靠的手大臂的肌肉群、后肩的肌肉群和背腰的肌肉群等共同发力,在拉电梯门的时候,外骨骼其实只提供了腕力与抓握力 ,这样的助力方式确实拉不开电梯门。

画面中门边缘被抓凹进去,表达了其抓握力,

我想出的一个可能的解释是,外骨骼的抓握力把锁芯抓烂了,因此门锁系统失效从而拉开门。

腕关节外骨骼也就图一乐,真正扒门还得看全上肢外骨骼。

你好啊,小老弟

接下来就要谈谈全片持续吸睛的军用全身型外骨骼

CN171-11救援队给观众留下了深刻的印象,这套全身型外骨骼功不可没。

在影片的各个关键情节,这套外骨骼都发回来了关键的作用。外骨骼在这些情节中体现出了三个重要的用途。

  • 搬运
  • 救援
  • 负重

搬运用途显然很有必要。在整个剧情中几乎都是围绕火石来进展的,在没运载车后,只能依靠人来运送火石,这个时候没有外骨骼是搬不动的。

把火石从车上搬下来和搬上去都需要人力,车抛锚了就只能靠人力了

除此之外,在电梯情节里仅用穿戴全身外骨骼的两人就能提起6个人和火石,这也体现了全身外骨骼在搬运领域的重要性。

没外骨骼就得拿起重机拉人,可是起重机怎么会提前放在那里呢

其次是救援。从两个情节就能看出外骨骼在救援场景的重要性。一是在路过上海地区车被砸后,小队派出锤子和丫头去救援后面被困在车里的技术人员,锤子当时一下子就把车门扒开了,这离不开外骨骼的帮助。试想去过拿工具去开门,是不是既没效率也难以变通?

第二个情节就是电梯部分了。首先是有外骨骼加身,能用绳子拉人,而不会存在拉不动的情况。第二点是,刚子在电梯井内可自由攀爬,大大增加了救援机动性,如果没有外骨骼加身,则需要很高的攀爬技术与强大的体力。

全身型外骨骼也配备了指骨(你有我有全都有啊)。除了保护外还能使其“挖墙”爬行

负重能力在影片中是隐含的,但其实是必须的。没有负重能力,如何背负得其其他救援装备?如何背负加特林重机枪?救援队士兵们在武器装备的负重上又要有救援装备,没有外骨骼是走不了远路的。

锤子这机枪的支撑机械臂与弹药使其成为了重型火力平台,而这一切的基础就是外骨骼强大的负重能力

鉴于救援队从头到尾就没有脱下来过外骨骼,但是其仍有可穿脱设计,外骨骼的穿戴是通过恒温服上的固定接口实现的,脱下外骨骼并不需要脱下恒温服。


复杂,有时也是一种美

在剧情中,这套外骨骼首先抓住眼球的是各种机械部件、异型腿杆、液压缸、各种管线、发光的关节等等。配合上黑色的恒温服,背部的有质感的能源背板,复杂的细节在王磊出场长镜头一下午全部冲击出来,让观众大呼过瘾。

动图封面
王磊这个出场特写也太帅了

接下来的周倩出场中,镜头从全身聚焦到头部,观众对这套外骨骼装备有了进一步的认识。

动图封面
周倩先闻其声,后见其人,出场也十分有气势
周倩要多放一张。飒!

黑色的配色,在黑色的军用恒温服下削弱了外骨骼外形的轮廓,因此在影片中对外骨骼整体外形很难有一个完整的认识。但黑色也提升了外骨骼质感,消除了模型道具的“塑料感”。

现实生活中,由于不锈钢、铝合金的普及,白色的金属总给人一种廉价的感觉。各种电子产品更青睐黑色配色。白色配色的产品通常要有柔顺的外形,要符合消费主义审美。

刘启的外骨骼配色虽然为银白色,但是代表了廉价金属铝合金的颜色,时刻提醒观众这个外骨骼是DIY出来的,看起来很垃圾,但是发挥出的作用很大,进一步地突出刘启的能力。

电影《流浪地球》概念设计师张勃也在访谈中谈到整个影片科技风格的确立:

那么回到工业感的确立,近现代科技发展起源于西方,现代大量的科幻作品中的机械以及工程要素都是基于西方近现代的科学技术发展之上的。我们一致认为工程构件、机械设备等要素的体现很难逃脱出西方已经建立起的基本体系。这一点认清现实是解除思想束缚的第一步。不必为了创作而创作,避免造出什么“中国感机械”的生硬怪胎概念。

既然从造型和原理上不能找到差异化,那么我们就从情感上找共鸣。中国在五十至八十年代早期经历了一轮非常快速的工业化进程,很多年轻人的爷爷辈就亲历了那个火热的年代,首先它还是一个距离较近,可以触摸感知的年代。

据此,我们认为本片不论是视觉要素可合理性相关性还是本土情感共鸣的考虑,视觉风格上确立了重工业风格的基本调性。而且这种风格视觉上粗粝,具有力量感非常符合电影故事上那种众志成城,坚韧不拔顽强拼搏的集体主义精神内核。

而不同于像影片《遗落战境》里面那种高度数字化,光滑表面,全息影像等近年来西方科幻出现的符合消费品设计心理的美学风格。

来源(推荐大家去读一读):

独家|《流浪地球》幕后概念设计大揭秘!!!概念设计艺术指导,故事板总监专访来了!47 赞同 · 3 评论文章

既然整体科技风格偏向于重工业时代的粗粝感,那么最能体现重工业的是什么?大型工程机械!大型工程机械中标志性的东西是什么?液压缸!

因此,尽管当今现实外骨骼技术研究中电动外骨骼占绝大比例,尽管现在的电动外骨骼已经能做到贴身、简洁的外形,都不重要。重要的是,电影里的外骨骼装备一定要有工业感的液压缸!一个不够就上两个。

如上图红圈部分,人体髋关节是一个3自由度关节,一般的外骨骼设计通常采用一个屈伸自由度+外摆内收自由度,外旋内旋自由度则看情况设计。而流浪地球的全身外骨骼在髋关节是一种并联机构的设计。髋关节做每个自由度的运动时,两根液压缸都要同时运动,且两者运动必须得满足一定关系。

并联机构的控制当然比常规方式要难很多,但是如上所述,液压缸数量一定要多,这样可动部件就多,看起来就炫。

同理,外骨骼的上身部分经常出现在镜头中,且其轮廓剪影一定程度上影响着观众对角色的印象,因此就要做的更炫了。

手大臂处的液压缸的液压管路用的红色线,腿上没有肩部却有的能源指示灯环,不贴身的液压缸放置,等等这些都是增加上身的视觉吸引力。

外骨骼不求简洁的外形,反而要求各种构件表面有复杂的层面、色彩和质感,以体现出细节丰富,这种复杂也成功地传达出一种美。

不过这种“美”是有代价的。

在只追求效果的道路上一去不复返的电影实体特效下,实物功能的实现是一种最次要的需求。我们得到了一个模型,但却得不到一个能用的物品,它只适合用来看。

这套外骨骼道具没有真实的动力来源,其设计也无法满足真实运用的技术指标,因此演员在穿戴这套道具的时候是全凭自己来抗下所有负重,而这套外骨骼即使是用非金属减重版都让演员们喘不过来气。

拍摄休息期间,服装重量使得演员们需要躺在地上休息

而且这套外骨骼不结实,第一天拍完回来就散架了。在拍戏过程中几乎是每一天都要整体大修一次,制作轻量版外骨骼的421工作室甚至安排了一个随组维修人员,负责每场戏下来的外骨骼维修。

《流浪地球》实体道具制作的花絮详情请看下面这篇访谈。

票房冲45亿!《流浪地球》幕后的物理特效独家大揭秘!19 赞同 · 1 评论文章


现实的交织

在专栏里的那篇盘点文章中我谈到,外骨骼科幻与现实技术是有交织的。科幻领域虽然也有自己的发展脉络,但是在技术的纬度上,也受着现实技术的影响与掣肘。

电影《流浪地球》的外骨骼设计初版是由维塔工作室设计,其经手了《极乐空间》《明日边缘》等科幻巨作,在外骨骼道具制作上可谓是老手。因此可以推定,《流浪地球》中外骨骼的设计是延承了上述两部电影中外骨骼的设计思路。

盘点文章中谈到,《极乐空间》的外骨骼设计受到2010年左右外骨骼研究领域成果的影响,那时最出名的是Bleex,Hulc,Xos外骨骼,无一例外地都属于硬朗、粗狂的风格。

Bleex
Hulc
XOS2

而它们也毫无例外地,受到了早期科幻的影响,认为液压系统是适合且应当作为外骨骼动力的。于是他们做出来了,虽然不完全实用,但是有效果了,能拿来展示了,外界看到并受到鼓舞了。

于是,《极乐空间》为代表的外骨骼科幻作品,也就雨后春笋般的出来了。

那么,在经历了外骨骼第一次技术爆发的2010年左右,近10年后的《流浪地球》中的外骨骼,技术框架变了吗?

答案是:没怎么变。

我们仍然看到的是液压系统的设计。与以往外骨骼不同的是,其肩部光环参考了以电机作为驱动的HAL系列外骨骼,一定程度上说明了流浪地球中的外骨骼可能是混合动力。

HAL系列外骨骼在其电机的位置外壳上装有灯环,这成为了这个系列的标志

这不是对《流浪地球》的挑刺,而是在细数这段科幻与现实技术交织的历史,令人回味。


《流浪地球》作为中国第一部硬科幻大作,这样的作品应该越多越好,不仅对观众来说有好看的电影,对中国电影工业来说有好的促进,更是对国内从事科研技术的人员感到有归属感。

因为当银幕上呈现的是我们所幻想达到的技术、我们所追求的未来生活、我们所信仰的未来价值观,而不是别人硬塞过来的略有文化隔阂的价值观时候,我们才会真正热爱我们的未来,并为之奋斗。

在《流浪地球》幕后概念设计的访谈中,概念设计师张勃说到,当创作团队在放火石那个场景中的发动机核心设计难以起笔时,他们试着参考了中国古代张衡地动仪的外形设计。正是有了这个参考,他们逐渐觉得,自己是在做自己的科幻,是在做中国的科幻,这种归属感让他们信心倍增,后续的创作也都充满了动力。

中国文化的宝库给了他们想象力的源泉,此刻中国传统文化与现代科幻创作的碰撞,我觉得是这个时代下最有魅力的事情。


图片来自网络和B站

拓展阅读

【盘点】科幻外骨骼的设计与现实技术的交织583 赞同 · 66 评论文章

以BLEEX为例,谈谈外骨骼的技术原理132 赞同 · 22 评论文章

康复之光——HAL康复外骨骼机器人技术解析101 赞同 · 13 评论文章


甲说

微信公众号与知乎专栏同步更新,几乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/137812416

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注