國(guó)外軍用可穿戴裝備發(fā)展探析

　　近年來(lái)，國(guó)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(tái)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(guó)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(cè)試評(píng)估。這類裝備一旦投入使用，將大幅增強(qiáng)士兵的機(jī)動(dòng)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(zhēng)條件下，士兵遂行多種行動(dòng)任務(wù)，需攜帶的裝備和物資越來(lái)越多、負(fù)荷越來(lái)越大，嚴(yán)重影響士兵的行軍速度、機(jī)動(dòng)靈活性和持續(xù)作戰(zhàn)能力，同時(shí)士兵生存能力也越來(lái)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(duì)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(guó)軍用可穿戴外骨骼發(fā)展最快，已推出多款產(chǎn)品。美國(guó)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(dòng)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(dòng)，系統(tǒng)總重32千克，可完成直立行進(jìn)、下蹲和匍匐等動(dòng)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(guò)72小時(shí)。2010年以來(lái)，美國(guó)陸軍對(duì)人體負(fù)重外骨骼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、環(huán)境測(cè)試和野外試驗(yàn)等一系列測(cè)試評(píng)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(huì)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(dòng)，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(guó)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(guó)家積極開展可穿戴外骨骼技術(shù)研究。除美國(guó)外，英國(guó)、法國(guó)、意大利、荷蘭和澳大利亞等國(guó)也在研發(fā)可穿戴外骨骼。英國(guó)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(jí)技術(shù)成熟度。法國(guó)“大力神”可穿戴外骨骼由“機(jī)電”腿、背部支撐架和一對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)致動(dòng)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(dòng)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(dòng)式可穿戴外骨骼重量不到3千克，配有兩條簡(jiǎn)易鮑登線，鮑登線從剛架背包繞至身體兩側(cè)，并通過(guò)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(guó)“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服尚處于研發(fā)測(cè)試階段。“勇士織衣”智能作戰(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(dòng)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(dòng)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(dòng)和主動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)激發(fā)人體肌肉、肌腱和骨骼功能，利用與主動(dòng)部件串聯(lián)和并聯(lián)的彈性元件儲(chǔ)存和釋放能量，并合理利用能量而不會(huì)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(lái)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(guó)陸軍90%士兵使用。

　　目前，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局、哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所、波士頓動(dòng)力公司和SRI國(guó)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(jí)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(dòng)預(yù)測(cè)與性能增強(qiáng)算法、計(jì)算機(jī)與電池、驅(qū)動(dòng)與控制裝置、運(yùn)動(dòng)跟蹤傳感器和織物組成，穿戴者需要時(shí)啟動(dòng)電源便可精確完成規(guī)定動(dòng)作。

　　美軍已對(duì)這些樣服進(jìn)行了多輪測(cè)試評(píng)估，且在減小負(fù)重對(duì)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(wèn)題。從評(píng)估結(jié)果來(lái)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(cè)試。在對(duì)哈佛大學(xué)樣衣進(jìn)行的3英里越野測(cè)試(包括公路、半崎嶇小路和叢林地帶)中，美軍檢測(cè)了士兵的步長(zhǎng)和頻率、肌肉活動(dòng)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(cè)試評(píng)估。

　　2012年以來(lái)，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(guò)模仿人體腿部肌肉和肌腱的動(dòng)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?jī)煞N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(dòng)機(jī)交互的纜線和滑輪，從而在不影響穿戴者自由活動(dòng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(duì)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(wèn)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)。