《超凡蜘蛛侠2》:犀牛人和他的机械外骨骼

随着《超凡蜘蛛侠2》的上映,这位由斯坦·李(Stan Lee)和史蒂夫·迪特科(Steve Ditko)创造、1962年首次在《惊奇幻想》(Amazing Fantasy)杂志中登场的超级英雄又再次引起了大家的广泛关注。不过,这篇文章可不是要介绍这位爱吐槽的蜘蛛小子的,相反,我们要来关注一下这部作品中的反派们。我可不是指电光人、沙人、秃鹫、神秘法师、红魔或者章鱼博士(这位是我最爱!)。这次我要说的可是犀牛人,这位在《超凡蜘蛛侠2》中出场不多但是十分抢镜的角色。

犀牛人首次登场是在1966年的《超凡蜘蛛侠》漫画中,在最新的蜘蛛侠电影中由美国著名演员保罗·吉亚玛提(Paul Giamatti)饰演。尽管犀牛人大概不是最聪明的反派(麦克·康诺伊在他的《漫画中的500位反派》评价他是“不起眼的”),但是对我来说,犀牛人身上确实有一些引人注目的地方。这其中最吸引我的就是犀牛人所穿戴的机械外骨骼。

犀牛人

《超凡蜘蛛侠2》中登场的犀牛人。

我个人对于机械外骨骼和它在生物体上的应用非常有兴趣。在电影中,犀牛人身披战甲(有点类似钢铁侠)在纽约市大肆破坏的镜头让人热血沸腾,不过我在这里打算谈一谈犀牛人这套机械外骨骼的能源供应问题。如何为一头发怒的犀牛人提供足够的能量呢?

我之前写《发明钢铁侠》(Inventing Iron Man)时,曾和我的同事、物理学教授同时也是《超级英雄中的物理学》(The Physics of Superheros)一书的作者吉姆·卡卡里奥斯(Jim Kakalios)讨论过这个问题,吉姆认为:

“电池容量的提升速度远远落后于信息储存介质容量的提升速度。如果电池容量也遵从摩尔定律(摩尔定律:集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔24个月便会增加一倍)的话,那么现在电池的续航时间应该有一个世纪那么长了。结果现在的情况是,如果你不想背一个核动力装置的话,那么化学能所能提供的动力支持就是相当有限的,结果是你不得不牺牲便携性或者续航时间。”

我用一张图解释了一下吉姆这段话的意思。下图中红线代表CPU的运算速度,它的增长速度远超过电池能量密度(蓝线)的增长速度。

像犀牛人穿戴的这种装甲外骨骼需要大量的能量才能运行。举个例子,本田公司研发中心2007年研发的仿人型机器人P2(著名的ASIMO智能机器人的前两代原型机),仅是行走就需要3000瓦特的功率,而且只能运行15分钟。这相当于2600千卡的能量,相当于一个美国男性一天的能量消耗!

这样看来,我们除了等着冷核聚变(现在已更名为“低能量核反应”)投入应用或者托尼·斯塔克的方舟发应堆被发明出来以外,目前还有什么可行的、有科学依据的措施可以应用于机械外骨骼中来解决犀牛人的能量供应问题吗?

最好的答案就是能量储存!当犀牛人在纽约市打砸抢烧制造混乱时,他的手臂和腿部会同时做正功和负功。正功可以推动他向前行走,而在迈步运动的恢复阶段他的四肢则做负功。这是运动中的生物力学里一个重要的研究领域,但是负功的出现造成了能量浪费。

如果有一种方法可以储存浪费的能量然后把这些能量用于其他用途呢?很多年来,研究者都在思考这个问题,如何利用人体本身的能量。已有的想法包括储存人体的热能,呼吸、血压中的能量,运动中的惯性,手臂运动以及行走时足跟着地的能量。

西蒙弗雷泽大学的马克思·唐兰(Max Donelan )博士带领的研究小组研发出了一种新设备,这种能量储存设备就像是外加了框架和发电机的膝关节支架,这个发明被《时代》杂志评选为2008年的50大发明之一。设备重约850克,使用时,使用者需将其佩戴在两条腿上。设备上的离合器和发电机会将人行走时膝盖做的负功收集并储存起来。目前,这种设备可以产生最高25瓦的电力。如果用正常的步速行走的话,可以产生12瓦的电力,大概一个小时多点就可以充满四块手机电池了。

唐兰认为他的设备储存能量的能力还“远远不够维持犀牛人的运转”。不过他补充说“犀牛人可以用这种设备给他的手机充电,这样他就可以打电话召集他的同伙来干掉蜘蛛侠了”。

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