盘点科幻外骨骼的设计与现实技术的交织

差点忘了这个栏目其实还讲科幻的。

众所周知,目前外骨骼技术研究领域里发展的最快的是科幻方向

既然作为外骨骼研究领域的前沿方向,那么我们也要谈科幻作品中的外骨骼技术。

引子

现实外骨骼的最早记录在1890年的一个美国专利中,就有人提出来将机械结构装在人身上以增强人体跑步和跳跃能力[1]。

采用了弓形弹片置于腿后,将膝关节看成扭转弹簧的话,那么这个弓形弹片就增加了膝关节的扭转刚度。

科幻里最早提出外骨骼概念却是在1959年出版的科幻小说《星船伞兵》,作者罗伯特·海因莱因在小说中构想的每个人类联邦士兵都穿着外骨骼装甲[2]。

而在1967年,通用电气研究所开发了历史上知名的外骨骼原型机——Hardiman。该外骨骼是全身主动式外骨骼,采用液压驱动,半仿生式构型(腿部只有足底与机器连接),共680kg,30个自由度[3][4]。

通用电气公司的Hardiman

如果说1890年的机械装置算第一款现实外骨骼的话,那么科幻作品是远远落后于现实的,足足69年。如果说1967年的Hardiman算第一款现实外骨骼的话,那么现实略逊于科幻想象。

显然从情理以及后来发展上,大家会更愿意同意后者。从这一点看,科幻想象是引领现实外骨骼技术发展的。

因此,现实外骨骼技术进步的动力,有很多是来自于人们对于梦想的追求。这种朴素的梦想,与人类飞天的梦想(飞机)、人类下海的梦想(潜艇)、人类快跑的梦想(汽车)是一脉相承的。

外骨骼技术源于人类对自身能力外延的梦想,因为其技术的核心是让人类自身变得更强。为了达到这个目标,人类对外骨骼的渴望将转化为技术以外的形式,用这种形式来形成文化语境氛围,从而间接地推动技术发展,这是一种技术进化的表现。对于外骨骼来说,这种形式就是科幻想象。

但是让人类自身更强的技术并不只有外骨骼技术,因此外骨骼技术在发展中必定会受现实约束,或将淘汰,或将进化成更适合的形式。但无论如何,它在现实中已经出现了,存在即合理,因此就仍有讨论它的必要。


盘点

从2000年来上映的科幻电影中,我们找出片内存在外骨骼的:

《黑客帝国2》——2003年

APU(Armored Personal Units) 机器人打机器人

《黑客帝国2》中锡安基地的防守兵团中的APU,充当着重型机枪火力。采用电机与液压混合动力,体感式操控。

可惜毕竟是弱势方人类反抗群体的科技产物,为了追求实用性,并未对穿戴者进行有效防护,且各个动力器件直接裸露在外。但是这种坚硬复杂的机械结构体现着工业美学,恰好与落后的人类阵营的废墟美学十分地融合。

《钢铁侠》——2008年起(后面出现了钢铁侠的电影就不计入了)

Mark 1

为什么只放最垃圾的Mark1 ?——后面的Mark型号还需要我放图?

不能忘本,山洞里简陋的条件下仍能打造战甲,体现着托尼不畏艰难的求生意志与高超的实力应变,这也是钢铁侠系列最初最打动人心的品质!

钢铁侠系列外骨骼战甲代表着外骨骼装备的最高水平——高机动、高智能化、移动军火库、专业化。是人类对于“超人”梦想的技术幻想延伸。具体的技术细节想象好几期都写不完。

Mark1这个最初的型号倒是和现实更加贴近。从造型来看,大腿处有链带传动,髋关节有电机作为动力。想必手部也是采用电机动力,因为没有看见液压缸结构。能一拳揍飞一个恐怖分子,集成了小型喷火器、火箭弹作为武器,腿部火箭喷射逃生,完全是一款实用向的外骨骼(废话)。

但即使是如此粗糙初级的科技,与现实外骨骼技术比起来却仍有强大的性能表现。这是科幻技术想象的一种普遍矛盾——低估技术的实现难度与高估技术的性能表现。

《阿凡达》——2009年

电影没截图,盗个模型的图

和《黑客帝国2》设计概念一脉相承的中型人体外骨骼机器人,优化了其防护不足的缺点。工业造型设计也显得更精致,采用一些柔和的曲线进行结构过渡,毕竟殖民外星的军队当然比被机器人殖民的军队有钱,有更多的心思花在打造更漂亮的机甲这件事上。

不过机器人居然是仿人手,相比较机械手直连武器的概念,这种仿生设计应该算落后了。不过也可能是遥操技术更发达了,允许更加灵活的手指遥操,以适应更精细化的工业操作。

《特种部队:眼镜蛇的崛起》——2009年

这套战甲在剧里值几百万美元

影片中此外骨骼动力战甲的性能与其造价的确对应得起来。圆润的外形让人想起机械战警,显然战甲制作者在功能性的考虑之余,也进行了人性化的设计。毕竟这部片子追求的就是一种高科技的炫酷感,过于功能化的设计体现不出来未来特种部队强大的财力与科技力。

不管是超强跳跃能力,还是快速奔跑能力、还是小型化武器装备集成技术、还是高强度耐操防震材料,在现实中每一项都是一个超高难度的技术指标。此动力战甲的技术高度如同钢铁侠,代表了早期科幻领域对外骨骼技术的偏乐观想象。

还是印证了那句话:低估技术的实现难度与高估技术的性能表现。

《极乐空间》——2013年

典型的脑后插管控制

相比较外骨骼概念刚火的零几年,在经过了现实外骨骼技术(BLEEX、HULC等外骨骼为代表)的观望后,人们开始意识到外骨骼技术的难度,并将视角聚焦于更接近现实的外骨骼。这种视角升级体现在以《极乐空间》为代表的外骨骼风格上。

《极乐空间》的外骨骼与现实外骨骼的造型设计十分接近,省略了那些不必要的装饰结构,直奔功能性。外露的液压连杆结构既表现了复杂机械的美学,又切合了废土风格的影片质感,让人直观地感受到这具外骨骼应该是用工业垃圾场里捡来的每一个废弃零件拼凑而来。

科幻造型为想象力服务,而不是为动力学服务。因此我们看到,即使布置液压连杆机构的位置并不适合其动力输出,也不会耽误在吸睛的身体位置上再放几根液压缸;即使是一块没有功能的护手板,也要刻上多种型面纹路以体现结构复杂性。

既然主角用了AK,那么他用的外骨骼的风格就一定得硬朗、粗狂、和反叛

视觉风格体现影片主旨剧情。在以底层人民为视角的主角身上,我们看到的是贫困、反叛、野生、的黑科技视觉风格;与之对应的精英阶层,我们看到的就是精致的、干净地、光滑的、符合现代消费美学的高新科技视觉风格。这两种设计风格的碰撞,直观地展现在了主角的废土式外骨骼和反派的高新科技外骨骼上,主角与反派的搏斗也体现着影片的强调贫富差距的主旨,外骨骼的视觉语言则在暗中加深了这种贫富差距的效果。

反派代表着精英阶层,使用的外骨骼当然就是光洁的、精致的、充满了漂亮的工业造型设计

《明日边缘》——2014年

第一期的图拿来还能用一用

可以将《明日边缘》中的外骨骼看做《黑客帝国2》中APU的缩小化近现实版,也可以看做《钢铁侠》类外骨骼的简化现实版。

如果是前者,那么它减小了体型,更加轻量化,贯彻了外骨骼是火力平台的概念。如果是后者,那么它为了减重抛弃了个人装甲——反正要装甲也是死;结合现实减弱了机动能力——重型火力平台如果移动太快就不符合其科幻技术背景;甚至削弱了人机交互的体验——触屏面板式火控操作。

机枪后置并自动化是在《黑客帝国2》后的技术创新,当然也吸取了钢铁侠里自动索敌肩弹的想象设计;这一想象设计为外骨骼是火力平台的这一战略概念打下了生动形象的基础

我们之所以能在影片中感受得到外骨骼的带来的炫酷感,并不是因为影片如实反映了量产型外骨骼所具有的经济性,反而是主创们在造型设计上下足了功夫,才能带来一种技术既粗糙又炫酷的感觉。

全兵外骨骼的前提条件是装备量产且经济,没必要浪费过多的精力在工业造型设计上,但是我们知道主创们在其上花费了不少造型设计的功夫

现实中量产的产品总是简单的,因为少即是多。在《明日边缘》的科幻背景下,全兵装备外骨骼,因此需要大规模生产,装备应当是越简单越好。但是影片为了体现外骨骼技术的先进性,必须对其进行艺术化加工。增加视觉元素以丰富细节,在颜色单一的地方增加色彩以丰富观感。

比如,如果真的以当时的人类技术背景,在大量士兵需要装备的情况下,产品不需要加工的地方应当能省则省。胸前背带上的复杂形状的型面大可统统没有,只需留下简约的背带,上面的丰富色彩层次也可以没有,只需留下材料本身的颜色。但是这样做,从外形上就看不出外骨骼的力量感,在影片中就会缺少辨识感,从而给影片带来一种氛围上的缺失。

《蝙蝠侠与超人:正义黎明》——2016年

超人:我也想穿穿你的战甲

蝙蝠侠的战甲,帅就完事了。所有造型设计都为漫画形象服务。

为了表现能抗下超人拳头的能力,装甲必须厚重。为了体现这种厚重感,就得使用经常用在大型机械上的锻造工艺来打造盔甲。因此我们可以看到很多圆角化的设计,同时又有种二战时期的坦克护甲的设计语言,给人带来坚不可摧的堡垒感,这也符合老爷面对大超时全副武装的感觉。

《头号玩家》——2018年

多少宅男梦寐以求的装备(大商机)

体感服也算?——算。

不能外骨骼看得那么狭隘,体感服的主要功能为记录人体肢体数据并以此控制虚拟内容,并为穿戴者提供反馈。这也算可穿戴外骨骼设备民用化的一大发展方向。实际上,体感遥操是外骨骼运动意图识别研究的重要任务,不仅用在体感服上,用肢体操作机械臂、操纵大型机械设备,都属于外骨骼的发展领域。

《毒液》:那我也算咯?——不,你不算。

哈佛大学的下肢柔性外骨骼外衣,通过贴身拉索传递辅助力,而整个外衣都是柔性织物制成

现实中哈佛大学柔性外骨骼概念的提出为外骨骼影视化设计找到了新的出路,将来也会影响到科幻领域中全身包覆型的外骨战甲设计。当然,全身覆盖的战甲的概念在游戏领域早已出现,也许也在潜移默化地影响着现实柔性外骨骼技术的发展。

《流浪地球》——2019年

小破球是一定要吹的

流浪地球的外骨骼装备概念设计是维塔工作室,部分道具设计为国内的421工作室负责。维塔工作室作为参与过《阿凡达》《明日边缘》的世界顶级特效工作室,打造出来的外骨骼战甲也算是业内顶级质感了。在造型设计领域里,《流浪地球》里的外骨骼造型优异,十分吸睛。不过在风格上仍未脱出《极乐空间》的外骨骼设计风格范畴。

因为是国内首部高质量科幻大片,且电影制作者大部分为国内团队,《流浪地球》的幕后道具制作资料相比国外电影更加详实。因此关于《流浪地球》中的外骨骼可以单独讲一期。

更新2020/05/09。流浪地球新开的一期来了:

打荷雨:电影《流浪地球》中的外骨骼漫谈87 赞同 · 9 评论文章

《明日战记》——未上映

外骨骼的质感还是很棒的

影片的预告及片名给人一种《明日边缘》的感觉,但是剧中的外骨骼设计则比其更上一层楼。一切讨论在影片没有更多资料放送前还不好说,目前根据已有的预告片,个人感觉其特效质感还是能打的。

《拓星者》——未上映

关于张小北的电影《拓星者》,个人不是了解很多,知乎上也有张小北导演的账号在活动,大家可以去期待一下。

镂空杆件的表达与白色的似铝金属代表着现代航空工业的工业语言

单从外骨骼设计来看,其设计语言与《使命召唤:高级战争》的风格类似,却又不完全一致。镂空的几何形状代表着结构的减重,倒角的杆件结构则代表着工业造型设计。将其风格归于《使命召唤:高级战争》《极乐空间》类的原因在于其中的小型化液压缸造型。

题外话,女主的发型让人想起了《星际争霸》里的刀锋女王

《光晕Halo》——未上映

拿游戏的图也不是不可以(反正是游戏电影)

这个放到游戏里讲。

未上映的电影到时候可以蹭一波外骨骼的热度(内心狂喜.jpg)


从2000年来,发布的著名游戏中存在外骨骼的:

《光环》系列——2001年起

光环系列的动力突击甲可以说是延续了电影《星河战队》里战甲的美术风格

从士官长的外骨骼动力甲的目的就可以看到,动力甲是为了给远星殖民的士兵们的标配生存服,这和宇航服是一个意思。因此我们得以看出动力服在现实宇航服上的多处借鉴设计,如封闭式面罩、后背的火箭背包等。

可以说光环系列的动力服设计语言直接来自于《星船伞兵》中的幻想描述,也可以说来自于电影《星河战队》里的士兵盔甲。两者并不矛盾,因为《星河战队》改编自《星船伞兵》。

光滑的圆头盔,与盔甲般的防护服,以更先进的视觉设计融入到了《光环》系列中
表面的凹凸纹路突显了盔甲性,摩托头盔式的面罩又强调了飞行时的速度感

既然是强调了盔甲的意义,那么你在其中很难看到现代外骨骼的设计语言。我们可以看到盔甲式的动力服设计、包覆式的宇航服设计,可就是看不到在关节处提供助力的圆形关节,或是体现助力的液压缸连杆。

原因无非在于,在《光环》的概念设计之时,现代外骨骼技术并没有对科幻领域造成显著的影响力。DARPA的“增强人体体能外骨骼(EHPA)”计划虽然在2000年提出,但是真正造成影响力确是在得到成果BLEEX的2005年后。我们可以看到在2005年后的科幻作品,都带有了BLEEX技术的影子——复杂的机械腿杆、液压缸助力、无装甲包覆

此处放一张BLEEX的图

由此可见,科幻的培养皿一部分是人类的想象力,一部分则是时代下的科学科技。

《死亡空间》——2008年起

贴吧老哥提到的Issac一开始穿着的工程装RIG [5]

我没玩过,不做评价。

但从搜索的图片及简单背景介绍看,橙红色的涂装符合工程气质,片甲的披覆体现了盔甲的设计。

《生化奇兵》——2007年

大老爹套装 [6]

我还是没玩过。

但是从人物设定上来看,Big Daddy算是个半人半机器的怪物,穿的是潜水服改造的重型套装,并装备了右手巨型钻头武器。这么重型的装备人可穿不动,可以推断出这套服装必有动力辅助装置,仅此意义上来看,这套服装确实可以称得上“外骨骼”概念。

或许在科技极度发达的未来,异化的人类是否也会躲进“壳”里,与“外壳”共生,成为新人类呢?自私的基因在此时又发挥了它的作用。

《质量效应》系列——2007年

N7护甲套装 [7]

我仍然没玩过,不评价。

从设定上看,应该是继承《光环》的思路,将动力服理解为盔甲,并以此作为设计思路。

《孤岛危机》系列——2009年起

生化服包含了外骨骼这个方向

游戏的核心卖点就在于这套几乎来自未来科技的生化服带来的功能性(当然也有画面卖点)。因此游戏在纳米服上的概念设计的很充分。未来超级战士所需要的功能几乎都涉及到了,这其中当然也包括动力辅助、光学隐形、受伤修复等。

在造型设计上,因为它是生化服,它也是以增强人体运动能力为目标打造的装备,和外骨骼概念相当。因此我们可以看到,这种黑色条状包裹体的设计,其实就是加强版的人体肌肉,而且它的分布也是按照人体肌肉来分布的;白色的金属机械结构,就是加强版的骨骼。

生化服的肌肉纹路,我想应该是借鉴了现实中气动肌肉外表的编织材料。

斯坦福大学于2006年研制的气动肌肉为驱动器的下肢康复外骨骼[8]

上图中的外骨骼采用的气动肌肉使用了黑色编织材料,有着交错密织纹路,《孤岛危机》的生化服的单根仿生肌肉造型与之十分相似。

《星际争霸Ⅱ》——2009年

机枪兵的CMC动力作战服

星际争霸Ⅱ的人族,已经具备了《光环》系列中太空殖民的能力,因此人类士兵所用的基础装备——动力作战服自然就与《光环》相似,有着相似的护甲片包覆,有着相似的后背设计(甚至都有两个圆心喷嘴设计),甚至面罩的颜色都是金色涂装(也有可能是借鉴了宇航服的抗辐射面罩)。

不同的是,机枪兵的整体造型却是圆润的,在这一点上,我们就不能将《星际争霸Ⅱ》动力服的设计语言归为《光环》系列的传承。事实上,星际争霸系列最早发售时间(1998年)就早于《光环》(2001年)。

由于星际争霸系列是即时战略游戏,建模精度低,在最初的机枪兵造型概念设计中很有可能就是借鉴了更早的桌面战棋游戏《战锤40K》中身穿动力装甲的陆星际战士(经评论区指正)。而《战锤40K》的美术风格又是受了科幻小说《星船伞兵》的影响。因此可以说,《星际争霸》和《光环》仍然都有相同的父系概念来源。

粗壮的四肢,圆形的护甲,简单的外形,这种造型几乎与星际系列的机枪兵造型一致

《使命召唤:高级战争》——2014年

别的游戏可以不提,《使命召唤:高级战争》不可能不提

怎么评价《使命召唤:高级战争》呢?

它引爆了国内外关于军事外骨骼的广泛讨论,给人们关于近未来外骨骼实用化的想象描绘了一幅完美的图景。

关于使命召唤系列中出现的外骨骼技术,可能一期也讲不完,以后再讲。

更新2021/05/29.认认真真地讲了一期《使命召唤:高级战争》

打荷雨:使命召唤11·高级战争的世界,真的到来了吗?46 赞同 · 8 评论文章

《使命召唤:黑色行动3》——2015年

尽管游戏中主要为机械义肢士兵,但是外骨骼概念还是有不少

《高级战争》里的外骨骼有多酷,《黑色行动3》将比它更酷。

以后再讲。

《辐射4》——2015年(历代辐射系列也有)

几乎每一代都有身穿动力装甲的士兵

虽然没玩过辐射,但该系列还是鼎鼎大名,多多少少听过一点。

由于第一部《辐射》发行于1997年,并且在第一部中就出现了动力装甲。因此装甲的美术风格与上面所述的游戏风格都不同,自成一派。游戏的美术风格明显受到20世纪50年代的核恐慌影响,其中的动力装甲也自然是一种防御性装备。

不管是防御攻击还是防核辐射,动力装甲的厚重外表都带来一种安全感。标志性的头盔作为为历代标识,明显是借鉴了生化防护服的防毒面具,直观明了点明游戏主题。作为防御性盔甲,自然不可能用现代防化服的薄膜材料作为表面,护甲金属采用了复杂的曲面外形,是尽可能地在模拟防化服柔性的质感。

即使防化服是一次性的,也不妨碍多次使用的防化盔甲表现出防化服的特性,让人一眼就能看出来,并发出感叹:哦!它是防化用的,因为和防化服很像!

封闭式头盔、供氧管路、猪鼻造型、全身包裹早已成为防化的标志

《死亡搁浅》——2019年

游戏中外骨骼叫骨架,分为加速骨架、力量骨架和全地形骨架

从题材上看,显然在《死亡搁浅》里,外骨骼技术的提出是完全出于功能性需求的。靠人力进行长距离多地形行走运货,这几乎就是下肢外骨骼完美的应用场景。为了一次性能背更多东西,需要一款力量骨架进行负重助力;为了逃脱米尔人的追捕,需要高机动性的加速骨架;为了攀爬半腿深的雪山,需要全地形骨架辅助行走。在特定的应用场景下用哪种特性的外骨骼,科幻已经给出了答案。

背这么多的货物,不给我外骨骼就让我去走雪山运货?

此外,《死亡搁浅》里的外骨骼,完全就是实用化设计。外皮将外骨骼完全包覆,在游戏里是为了防时间雨,在现实中就可以是防尘防水。不管是复杂的机械外形还是精致的消费品美学设计,在实用化下都统统失去了意义。也许最实用的装备,都没有那些华而不实的造型设计。

看看国产武器,多么接地气

以往科幻作品里为了解决外骨骼能源问题,动不动就核能源供电,而在《死亡搁浅》里,外骨骼的续航问题就得到了比较好的解决。只需要在常用地区设立充电桩,无线的也好有线的也好,只要你在电量用尽前抵达充电点,就可以续上一命。这个思路和目前手机共享充电宝的思路是一致的,也可以推广到所有电子产品。

科幻吸取现实成功的实践经验,为幻想的技术找到新的出路,从而间接地为现实技术提供合理的展望。科幻与现实科技在某一层面上相互交织影响着,共同塑造未来的模样。


科幻小说中存在的外骨骼:

这个就不太好盘点了,因为本人科幻小说阅读量少,并且在科幻小说中,一个概念一旦被提出,就失去了科幻兴奋点,后继者很难在此之上提出更深入人心的改进,最多是概念的丰富与细化。

但是从上述电影与游戏文化中我们得以窥见,1959年罗伯特·海因莱因的《星船伞兵》几乎影响了一代代后续科幻作品中动力装甲的设计,当之无愧外骨骼概念之父。


注:

  1. 高达、环太平洋战甲等属于机甲,与外骨骼在操纵方式上存在相同性,但体型过于庞大,与人操纵不具有强反馈性,因此不属于外骨骼,故不列于表。
  2. 《黑客帝国2》和《阿凡达》里的机器人,与高达有相似性,与外骨骼也有相似性,但从可实现性来说,我更倾向于将其归于外骨骼领域。
  3. 硬核亨利、源氏、冬兵等拥有了机械增强义肢,但是义肢与外骨骼仍有区别,智能义肢更接近赛博朋克范畴,故此不表。

尾声

我们看到,近现代科幻作品中外骨骼概念的兴起则与现实技术的发展有极强的联系。

当以现实技术为新的起点,原始的想象也就有了新的基础。

《星船伞兵》里对于增强人体士兵的幻想,引起了《战锤40K》里对动力士兵的想象,转化为《星际争霸Ⅱ》里对宇宙殖民的人类机枪兵的演绎、《光环》里对宇宙生存作战服的诠释、《钢铁侠》里对超级英雄的解读,最后收敛到《使命召唤》里的外骨骼强化士兵。

这个过程就好比,随着科技的发展,人们对于飞翔的梦想从长一双翅膀,转化为造一辆飞行汽车,最后收敛到造一架飞机上来。

现实技术与科幻想象的交织发展历程无不充满了这种模因进化。技术是进化的,人类的想象力也是进化的。如果说不断的科学新发现为科技进步提供了丰富的原材料,那么科技的进步就为幻想的具现提供了丰富的养料。


参考文献:

[1] YAGN N. APPARATUS FOR FACILITATING WALKING[M]. Google Patents. 1890.

[2] https://www.zhihu.com/question/266852964/answer/316770427

[3] GILBERT K. Exoskeleton prototype project: Final report on phase I[J]. General Electric Company, Schenectady, NY GE Tech Rep S-67-1011, 1967.

[4] MOSHER R S. Handyman to hardiman [M]. Society of Automotive Engineers, 1967.

[5][6][7] https://tieba.baidu.com/p/3340430200?red_tag=1361650361

[8] COSTA N, BEZDICEK M, Brown M.Joint motion control of a powered lower limb orthosis for rehabilitation[J].Automation and Computing, 2006 (3) :271-281.

图片大部分来源于网络


甲说

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彩蛋

如果觉得科幻中的外骨骼还不够炫,那可以看看往期现实外骨骼技术,相信你会对现实有更深厚的认识。

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