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外骨骼系統開始邁向實戰應用
華夏經緯網   2019-04-22 09:06:54   
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   原標題:“機甲戰士”正向我們走來

    熱映的科幻影片《流浪地球》中,救援隊員身上那套猶如機器戰甲一般擁有強大戰斗力的單兵外骨骼系統,給人留下了深刻印象。該系統并非簡單的電影道具,而是有著很強的現實基礎,可看作是當今世界一些國家所研發同類產品的“未來版”或“升級版”。近年來,美、俄等軍事強國都加大了對該系統的研發和創新力度,未來或許將會有力量更強、速度更快和超負荷能力的單兵外骨骼系統顯威戰場,對信息化戰爭產生重大影響。

    優勢明顯,表現非凡

    從影片《流浪地球》開頭男主角劉啟與多人搏斗開始,智能化的外骨骼系統就頻繁出鏡。這套系統被如此描述:采用石墨烯外殼、氚電池動力,符合人體工程學和仿生學,還擁有優異的保溫性能,使救援人員在極端條件下仍可保持作戰能力。穿戴外骨骼系統,可使士兵的生理功能得到放大,甚至能與一輛輕型坦克相抗衡,在戰場上具有超強的作戰能力。

    ——力大無比,舉重百斤易如反掌。影片中的外骨骼系統,采用液壓助推器裝置,正是靠著它,隊員們才能手動推動“撞針”,激發行星發動機內的核聚變反應。救援隊重火力組成員錘子的外骨骼還帶有一個背負式重武器支架,除了自動步槍等輕型武器外,還能攜帶一挺多管米尼崗重型機槍和大量彈藥,平時折疊置于背后,需要時轉到身前。射擊時,外骨骼可提供輔助支撐,保證射擊穩定性。該背負式外掛旋轉武器支架必要時還可改裝成單兵導彈系統。

    ——身輕如燕,飛檐走壁如履平地。眾所周知,無論古時征戰,還是在現代信息化戰場,士兵乃完成戰術動作的基礎。但不能否認,即使士兵體格過人、訓練有素、身手不凡、精力充沛,行走、奔跑、跳躍、跨障、攀爬等能力也是有限的,在復雜的作戰條件下和險惡的戰場環境中更加受限。電影為我們描繪了這樣一幅未來圖景:救援隊員徒手攀爬高達數百米的垂直電梯間,抓力之強甚至能使手指嵌入金屬墻面,使得士兵能彈跳如簧,輕輕松松跨越障礙。

    ——行走如飛,日行百里輕而易舉。軍隊在為士兵提供充足食物和營養的同時,還要對士兵進行持續的高強度的訓練,以期在保證士兵身體健康的情況下,擁有健壯的體格,始終能在戰場上保持旺盛的戰斗力。然而,通過保健、營養和訓練等方式增強士兵體能,效果畢竟有限,在當今信息時代必須借助高科技手段。影片中,穿戴外骨骼系統,擁有了強大的機動力,兩人就可拖動數噸重的“火石”,穿越復雜地形進行長距離徒步行軍。

    原理復雜,發展迅速

    單兵外骨骼系統,是一種可讓人穿戴的、柔性的智能化機器系統,它通過高功率的驅動裝置,以非剛性的連接方式套裝在人體外,模仿人體結構特點,輔助人的肢體運動,分散、均衡和緩解人體負重,從而達到增強人體功能的目的。

    系統大體分為被動外骨骼和動力外骨骼兩種。前者無需能源驅動,主要借助可穿戴的柔性裝置,使士兵肩部、脊柱、腿部和腳踝等部分的負重轉移分散,以減輕士兵身體的承重負擔。后者一般由鋼鐵框架或者其他高強度耐用材料框架構成,通常配置有電機和傳感器等,需電源驅動,能提供額外的能量,更好地輔助、協調和促進士兵的四肢運動,且容易整合并融入到可穿戴或隨身的單兵裝備中。

    動力外骨骼工作時,首先由附著在士兵不同部位的傳感器感應和判斷人體動作意圖,收集人體動作信息,將這些信息傳遞給計算機進行處理并形成指令,然后再將這些指令傳遞到相應的控制器,控制處于士兵各部分關節的電機和機械傳動部件輸出能量,來輔助人體的肌肉活動和肢體運動,協調人體動作并提高靈活性,使人體在負重狀態下能活動自如,在搬運或舉起重物時也能易如反掌。

    由于外骨骼系統的巨大潛力,它早已成為各國爭相發展的“寵兒”。現如今,世界上有20多個國家和地區在積極研發士兵穿戴的外骨骼系統,美國、俄羅斯、加拿大和歐洲等國的技術尤為先進,并開始邁向實戰應用。

    美國無疑是世界外骨骼系統研制的先鋒。多年來,其很多公司都在與軍方進行合作開發,并取得了成功。美國雷神公司已為陸軍研發了兩代外骨骼系統,2010年10月進行測試演示的第二代XOS-2外骨骼系統,能使士兵在不知疲倦的情況下將重約100千克的重物反復舉起幾百次。洛馬公司為陸軍研制的改進型人體負重外骨骼系統HULC,一次充電可持續工作72小時,能背負90千克重物以4.8千米/小時的速度在野戰環境下持續行走1個小時,還能配置防護裝甲,對士兵可更好地加以防護。

    俄羅斯在軍用外骨骼系統的研究方面也取得了令人矚目的成績。目前正在研制并可能不久后配發部隊的第二代“勇士-21”外骨骼系統,采用納米材料技術,可承擔步兵大約95%的載重負荷,使士兵在全裝滿負荷的情況下也能流暢而敏捷地奔跑和跳躍,行進速度可達16千米/小時。該款外骨骼系統采取多片組合的方式,與人的生理部位幾乎完全貼合,使其對人運動時的阻礙降到了極致。此外,它還初步實現了與數字化單兵武器系統的集成,具有攻擊、防護和生命與能源保障等功能。

    挑戰重重,前景廣闊

    現有外骨骼系統的研究已有很大進展,但要真正讓其成為士兵標配并走上戰場,還有很長一段路要走。

    ——在供電系統上,電池體積和重量較大、功率較小、續航時間較短,導致其功能擴展和持續工作時間不足。

    ——在材料應用上,不夠堅固輕巧,彈性柔性不足,降低了外骨骼系統穿戴的舒適度,減小了增添護具提高防護能力的余地,同時加大了人體輪廓,增加了中彈幾率,影響了士兵的靈活性。

    ——在數據處理上,速度跟不上,控制敏捷性不夠,使得外骨骼系統反應時間延長,相應部位的構件動作靈活性變差,難以很好地實現與士兵同步,帶來了人體的疲勞感,增大了能量損耗。

    ——在傳感器功能上,分辨力不強,靈敏度不夠,易引起外骨骼系統對諸如打噴嚏、咳嗽和肌肉痙攣等無意動作的誤判,或使有些關節部位的構件動作反應滯后,擾亂人體行動的正常節奏,甚至使士兵失去平衡或產生附帶傷害。

    即便如此,外骨骼系統的發展前景依然十分廣闊。

    ——可瞄準現實問題,實現技術突破。立足當前外骨骼系統存在的現實問題,開發燃料電池在內的各種新型能源,研發智能型傳感器、高性能處理器以及高精度控制器等,使用先進復合材料制作相應部件,不斷降低外骨骼系統的體積重量,改善其柔性彈性,優化其穿著舒適度,并提高其性能和可靠性。

    ——可立足戰場需要,拓展綜合能力。增強和拓展飛躍和攀爬功能,采用更加輕型的柔性折疊材料,按照仿生學原理制作相應的組件模塊,使外骨骼系統助力士兵進行短距離滑翔,并像壁虎一樣攀爬墻壁。將單兵數字化武器系統組件融入外骨骼系統,或將智能頭盔、智能眼鏡等可穿戴裝備與其集成在一起,使其同時擁有信息獲取與傳輸、戰場感知、路線追蹤等能力,進一步提升士兵的單兵作戰水平和協同作戰能力。

    ——可針對戰場環境,提高生存能力。依照防護需要進行結構設計,將頭盔和防彈衣的功能整合進來,使外骨骼系統不僅能防水、防火,還能防彈、防爆炸物碎片、防生化污染物。增加生命支持系統,采用特殊材料的纖維織物、健康感應器與藥物釋放組件,使外骨骼系統既能實時監測人體的心率、血壓和體溫等指標,對士兵體能和健康狀況及時做出判斷和預警,緩解士兵疲勞,減少士兵傷病,也能對士兵的關鍵受傷部位快速止血和治療,提高士兵的生存幾率。(趙林 曾德海 解放軍報

 

責任編輯:胡光曲

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