國外軍用可穿戴設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展

近年來，國外發(fā)展的軍用可穿戴裝備種類很多。如可穿戴外骨骼、作戰(zhàn)服、頭盔、單兵電臺等，尤其是運(yùn)用仿生技術(shù)的可穿戴外骨骼和智能作戰(zhàn)服備受關(guān)注。美國已先后推出多款軍用可穿戴外骨骼及“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服樣服，并開展了測試評估。這類裝備一旦投入使用，將大幅增強(qiáng)士兵的機(jī)動攜行能力和綜合防護(hù)能力，進(jìn)而提高士兵的戰(zhàn)斗力和生存能力。

一、發(fā)展現(xiàn)狀

在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下，士兵遂行多種行動任務(wù)，需攜帶的裝備和物資越來越多、負(fù)荷越來越大，嚴(yán)重影響士兵的行軍速度、機(jī)動靈活性和持續(xù)作戰(zhàn)能力，同時(shí)士兵生存能力也越來越受到重視。由此，應(yīng)用仿生技術(shù)的軍用可穿戴外骨骼、智能作戰(zhàn)服等軍用可穿戴裝備便應(yīng)運(yùn)而生。軍用可穿戴外骨骼和智能作戰(zhàn)服旨在擴(kuò)充或增強(qiáng)人體的生理機(jī)能，提高士兵攜行能力、減輕負(fù)重對士兵的損傷，從而提高士兵負(fù)重情況下的持久作戰(zhàn)能力。

美國軍用可穿戴外骨骼發(fā)展最快，已推出多款產(chǎn)品。美國已先后推出人體負(fù)重外骨骼、第二代XOS全身外骨骼、“麥克法斯”手臂外骨骼等多款產(chǎn)品。洛克希德·馬丁公司的人體負(fù)重外骨骼由鈦合金制成的機(jī)械腿、驅(qū)動裝置、控制計(jì)算機(jī)及背部的負(fù)重部分、散熱單元等組成，采用液壓驅(qū)動，系統(tǒng)總重32千克，可完成直立行進(jìn)、下蹲和匍匐等動作，使士兵能背負(fù)90千克重物、以16千米/小時(shí)的行進(jìn)速度快速行進(jìn)，充電一次可持續(xù)工作超過72小時(shí)。2010年以來，美國陸軍對人體負(fù)重外骨骼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試、環(huán)境測試和野外試驗(yàn)等一系列測試評估。雷神公司的XOS外骨骼機(jī)器人是目前最為先進(jìn)的全身式外骨骼，它可使穿戴者將90千克的重物反復(fù)舉起幾百次，而不會感到疲勞，同時(shí)還可重復(fù)擊穿厚度為76.2毫米的木板。新推出的第二代XOS外骨骼機(jī)器人由一系列機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器組成，利用液壓驅(qū)動，重量更輕、速度更快、能力更強(qiáng)，其耗電量還降低了50%。另外，美國宇航局也在投資研發(fā)用于外星探險(xiǎn)的X1機(jī)械外骨骼，海軍則在用外骨骼修造艦船。

“勇士織衣”內(nèi)穿型智能作戰(zhàn)服概念圖

英法等國家積極開展可穿戴外骨骼技術(shù)研究。除美國外，英國、法國、意大利、荷蘭和澳大利亞等國也在研發(fā)可穿戴外骨骼。英國BAE系統(tǒng)公司“矯正負(fù)重輔助裝置”采用鋁和碳纖維復(fù)合材料制成，包括一副與士兵背包和靴子相連的機(jī)械腿，可幫助士兵分擔(dān)背包負(fù)重，系統(tǒng)總重8千克（不含電池），已達(dá)6級技術(shù)成熟度。法國“大力神”可穿戴外骨骼由“機(jī)電”腿、背部支撐架和一對機(jī)械臂組成，使士兵能攜帶100千克重物、以4千米/小時(shí)的速度行進(jìn)約20千米。意大利“V-盾”第一代人體脊柱外骨骼配有部分電動調(diào)節(jié)致動器，可將人體肩部重量轉(zhuǎn)移至腿部肌肉，以減少壓力并增強(qiáng)潛在負(fù)重能力。荷蘭“外置伙伴”2外骨骼配有2條可伸縮的機(jī)械腿和致動器，重5千克，能大幅提升徒步士兵負(fù)載能力。澳大利亞被動式可穿戴外骨骼重量不到3千克，配有兩條簡易鮑登線，鮑登線從剛架背包繞至身體兩側(cè)，并通過腿部支架連至作戰(zhàn)靴底部，能將士兵負(fù)重的2/3直接轉(zhuǎn)移至地面。

美國“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服尚處于研發(fā)測試階段?！坝率靠椧隆敝悄茏鲬?zhàn)服是一種全新的內(nèi)穿型作戰(zhàn)服，具有獨(dú)特的技術(shù)性能特點(diǎn)。一是作戰(zhàn)服上布滿了小型傳感器、功能結(jié)構(gòu)件和致動器，負(fù)重智能分布于士兵全身，以減小作用力。二是多種可穿戴在士兵踝部、臀部、膝部和上身的核心部件，能在需要時(shí)自動變硬或松弛，以減輕負(fù)重引起的肌肉骨骼損傷；減少人體代謝消耗，增強(qiáng)人體機(jī)能，從而有效提高士兵負(fù)重能力。三是采用被動和主動控制技術(shù)，通過激發(fā)人體肌肉、肌腱和骨骼功能，利用與主動部件串聯(lián)和并聯(lián)的彈性元件儲存和釋放能量，并合理利用能量而不會有多余損耗，以降低能耗。同時(shí)還能為電池蓄電，重復(fù)使用能量來降低能耗。四是采用先進(jìn)的防彈材料制成，柔韌性和靈活性好，且輕便、舒適、耐用。它還能與現(xiàn)有士兵作戰(zhàn)服和裝備兼容，可供美國陸軍90%士兵使用。

目前，美國國防高級研究計(jì)劃局、哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所、波士頓動力公司和SRI國際公司分別推出了各自的“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服樣服，既有全身型樣服，也有由臀部或踝部等組成的部件級樣服。其中SRI公司的“超柔”（SuperFlex）機(jī)械外骨骼由生物傳感器、運(yùn)動預(yù)測與性能增強(qiáng)算法、計(jì)算機(jī)與電池、驅(qū)動與控制裝置、運(yùn)動跟蹤傳感器和織物組成，穿戴者需要時(shí)啟動電源便可精確完成規(guī)定動作。

美軍已對這些樣服進(jìn)行了多輪測試評估，且在減小負(fù)重對士兵的作用力、降低士兵體能損耗、穩(wěn)定關(guān)節(jié)等方面取得階段性研究成果，并解決了舒適度和適配性等人因問題。從評估結(jié)果來看，身穿“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服的士兵背負(fù)27.7千克重物仍能正常行走，下一步將開展野外測試。在對哈佛大學(xué)樣衣進(jìn)行的3英里越野測試（包括公路、半崎嶇小路和叢林地帶）中，美軍檢測了士兵的步長和頻率、肌肉活動及能力損耗等。按計(jì)劃，2016年年底將進(jìn)行“勇士織衣”樣服的最終測試評估。

2012年以來，哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所的研究人員一直致力于仿生智能服研制，旨在采用新方案增強(qiáng)士兵人體效能。這種仿生智能服采用大量織帶，內(nèi)置低功耗微處理器和柔性應(yīng)變傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過模仿人體腿部肌肉和肌腱的動作，降低士兵肌肉損傷風(fēng)險(xiǎn)。懷斯生物工程研究所設(shè)計(jì)了臀部和踝部兩種不同的柔性外骨骼，用于試驗(yàn)研究。研究團(tuán)隊(duì)還研制了與小型發(fā)動機(jī)交互的纜線和滑輪，從而在不影響穿戴者自由活動能力的前提下為其提供助力。

當(dāng)前，可穿戴外骨骼技術(shù)已在微處理器和生物電傳感器方面取得突破，其發(fā)展還面臨步態(tài)穩(wěn)定控制、多傳感器數(shù)據(jù)融合、能源與動力驅(qū)動技術(shù)、輕質(zhì)先進(jìn)材料及優(yōu)化控制算法等技術(shù)挑戰(zhàn)；“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服已在減小負(fù)重對士兵的作用力、降低士兵體能損耗、穩(wěn)定關(guān)節(jié)等方面取得階段性研究成果，并解決了舒適度和適配性等人因問題，其發(fā)展還面臨先進(jìn)控制、“技術(shù)-人員”接口與感知、損傷減輕與預(yù)防、人體機(jī)能增強(qiáng)等技術(shù)挑戰(zhàn)。

二、應(yīng)用前景

軍用可穿戴外骨骼可大幅提升徒步士兵攜行能力。軍用可穿戴外骨骼采用柔性設(shè)計(jì)，既能使士兵完成爬行、深蹲、提舉重物等一系列動作，又可減輕士兵因提舉重物而引發(fā)的肌肉骨骼損傷。美國人體負(fù)重外骨骼采用模塊化設(shè)計(jì)，除機(jī)械腿外，還可掛裝月牙形抓鉤、搬運(yùn)輔助裝置等，不僅使士兵能背負(fù)重物徒步行軍，還能便于抓起或搬運(yùn)重物。未來的外骨骼機(jī)器人就像人的衣服一樣，是為士兵量身定做的，能大幅增強(qiáng)士兵負(fù)重能力、延長持久機(jī)動性、提高運(yùn)動速度，使之成為“大力士”，從而徹底解決當(dāng)前徒步士兵攜行能力不足的問題。

SRI公司“超柔”機(jī)械外骨骼

智能作戰(zhàn)服使士兵具有綜合防護(hù)能力?！坝率靠椧隆敝悄茏鲬?zhàn)服像是肌肉、關(guān)節(jié)的感應(yīng)“增強(qiáng)器”，不僅具有傳統(tǒng)的防彈功能，而且還能增強(qiáng)人體機(jī)能，可使士兵成為“鋼鐵俠”甚至是“超人”。將來，作戰(zhàn)服還會織入光纖絲線，將受傷士兵的傷情實(shí)時(shí)傳送給醫(yī)療救護(hù)中心，為士兵的身體健康安全提供保障；甚至能融入四周環(huán)境，使士兵成為“變色龍”。智能作戰(zhàn)服是一種具有自主學(xué)習(xí)能力、人機(jī)協(xié)作的顛覆性技術(shù)，符合美軍第三次“抵消戰(zhàn)略”的指導(dǎo)思想。

三、未來發(fā)展

軍用可穿戴裝備未來重點(diǎn)開展可穿戴外骨骼和智能作戰(zhàn)服的測試評估，改善性能、促進(jìn)技術(shù)成熟并投入裝備使用，以及利用先進(jìn)控制、新材料、仿生和生物醫(yī)學(xué)等新技術(shù)，開發(fā)更先進(jìn)的腦控外骨骼、智能作戰(zhàn)服。

一是通過改進(jìn)減輕軍用可穿戴外骨骼的重量、簡化結(jié)構(gòu)，提高性能。美國人體負(fù)重外骨骼發(fā)展目標(biāo)是使士兵負(fù)重達(dá)到120～180千克?，F(xiàn)有第二代XOS外骨骼機(jī)器人是帶纜線型，預(yù)計(jì)到2020年將研制成無纜線型XOS外骨骼機(jī)器人，其技術(shù)更先進(jìn)、性能更好。未來外骨骼機(jī)器人能學(xué)習(xí)士兵的步法和肌肉運(yùn)動，在士兵負(fù)傷或行動受限時(shí)協(xié)助士兵移動。

二是積極研發(fā)腦控外骨骼。美國國防高級研究計(jì)劃局的有感知假肢就是一種腦控外骨骼，旨在研發(fā)能靈巧控制上肢假肢的完全植入式、模塊化、可重構(gòu)的神經(jīng)接口。俄羅斯也在加快研制新一代“單兵外骨骼”裝甲作戰(zhàn)服，有望在2020年裝備使用。

三是發(fā)展全身型“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服。美國將進(jìn)行“勇士織衣”系統(tǒng)集成，并開展生物力學(xué)建模與仿真、測試與評估等研究工作，向全身型智能作戰(zhàn)服發(fā)展。美軍對其性能要求是：重量控制在9千克以下；功率需求不超過100瓦；將背負(fù)45千克重物，以1.25米/秒速度在平地行走的士兵的代謝消耗減少25%；電池重量不超過4.5千克，在不充電的情況下可持續(xù)工作24小時(shí)。