國外軍用可穿戴裝備發(fā)展探析

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

　　一、發(fā)展現狀

　　在現代高技術(shù)戰爭條件下，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、負荷越來(lái)越大，嚴重影響士兵的行軍速度、機動(dòng)靈活性和持續作戰能力，同時(shí)士兵生存能力也越來(lái)越受到重視。由此，應用仿生技術(shù)的軍用可穿戴外骨骼、智能作戰服等軍用可穿戴裝備便應運而生。軍用可穿戴外骨骼和智能作戰服旨在擴充或增強人體的生理機能，提高士兵攜行能力、減輕負重對士兵的損傷，從而提高士兵負重情況下的持久作戰能力。

　　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·馬丁公司的人體負重外骨骼由鈦合金制成的機械腿、驅動(dòng)裝置、控制計算機及背部的負重部分、散熱單元等組成，采用液壓驅動(dòng)，系統總重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)，充電一次可持續工作超過(guò)72小時(shí)。2010年以來(lái)，美國陸軍對人體負重外骨骼進(jìn)行了實(shí)驗室測試、環(huán)境測試和野外試驗等一系列測試評估。雷神公司的XOS外骨骼機器人是目前最為先進(jìn)的全身式外骨骼，它可使穿戴者將90千克的重物反復舉起幾百次，而不會(huì )感到疲勞，同時(shí)還可重復擊穿厚度為76.2毫米的木板。新推出的第二代XOS外骨骼機器人由一系列機械結構、傳感器、執行機構和控制器組成，利用液壓驅動(dòng)，重量更輕、速度更快、能力更強，其耗電量還降低了50%。另外，美國宇航局也在投資研發(fā)用于外星探險的X1機械外骨骼，海軍則在用外骨骼修造艦船。

　　“勇士織衣”內穿型智能作戰服概念圖

　　英法等國家積極開(kāi)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B(niǎo)AE系統公司“矯正負重輔助裝置”采用鋁和碳纖維復合材料制成，包括一副與士兵背包和靴子相連的機械腿，可幫助士兵分擔背包負重，系統總重8千克(不含電池)，已達6級技術(shù)成熟度。法國“大力神”可穿戴外骨骼由“機電”腿、背部支撐架和一對機械臂組成，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)調節致動(dòng)器，可將人體肩部重量轉移至腿部肌肉，以減少壓力并增強潛在負重能力。荷蘭“外置伙伴”2外骨骼配有2條可伸縮的機械腿和致動(dòng)器，重5千克，能大幅提升徒步士兵負載能力。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(xiàn)，鮑登線(xiàn)從剛架背包繞至身體兩側，并通過(guò)腿部支架連至作戰靴底部，能將士兵負重的2/3直接轉移至地面。

　　美國“勇士織衣”智能作戰服尚處于研發(fā)測試階段。“勇士織衣”智能作戰服是一種全新的內穿型作戰服，具有獨特的技術(shù)性能特點(diǎn)。一是作戰服上布滿(mǎn)了小型傳感器、功能結構件和致動(dòng)器，負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，以減輕負重引起的肌肉骨骼損傷;減少人體代謝消耗，增強人體機能，從而有效提高士兵負重能力。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。它還能與現有士兵作戰服和裝備兼容，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國際公司分別推出了各自的“勇士織衣”智能作戰服樣服，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)機械外骨骼由生物傳感器、運動(dòng)預測與性能增強算法、計算機與電池、驅動(dòng)與控制裝置、運動(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定動(dòng)作。

　　美軍已對這些樣服進(jìn)行了多輪測試評估，且在減小負重對士兵的作用力、降低士兵體能損耗、穩定關(guān)節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。從評估結果來(lái)看，身穿“勇士織衣”智能作戰服的士兵背負27.7千克重物仍能正常行走，下一步將開(kāi)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(cháng)和頻率、肌肉活動(dòng)及能力損耗等。按計劃，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(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士兵人體效能。這種仿生智能服采用大量織帶，內置低功耗微處理器和柔性應變傳感器網(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。懷斯生物工程研究所設計了臀部和踝部?jì)煞N不同的柔性外骨骼，用于試驗研究。研究團隊還研制了與小型發(fā)動(dòng)機交互的纜線(xiàn)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)穩定控制、多傳感器數據融合、能源與動(dòng)力驅動(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;“勇士織衣”智能作戰服已在減小負重對士兵的作用力、降低士兵體能損耗、穩定關(guān)節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、損傷減輕與預防、人體機能增強等技術(shù)挑戰。