國外軍用可穿戴設備的現(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，尤其是運用仿生技術的可穿戴外骨骼和智能作戰(zhàn)服備受關注。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，將大幅增強士兵的機動攜行能力和綜合防護能力，進而提高士兵的戰(zhàn)斗力和生存能力。

一、發(fā)展現(xiàn)狀

在現(xiàn)代高技術戰(zhàn)爭條件下，士兵遂行多種行動任務，需攜帶的裝備和物資越來越多、負荷越來越大，嚴重影響士兵的行軍速度、機動靈活性和持續(xù)作戰(zhàn)能力，同時士兵生存能力也越來越受到重視。由此，應用仿生技術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運而生。軍用可穿戴外骨骼和智能作戰(zhàn)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(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(qū)動裝置、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(qū)動，系統(tǒng)總重32千克，可完成直立行進、下蹲和匍匐等動作，使士兵能背負90千克重物、以16千米/小時的行進速度快速行進，充電一次可持續(xù)工作超過72小時。2010年以來，美國陸軍對人體負重外骨骼進行了實驗室測試、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，而不會感到疲勞，同時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(zhí)行機構和控制器組成，利用液壓驅(qū)動，重量更輕、速度更快、能力更強，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(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(tǒng)總重8千克（不含電池），已達6級技術成熟度。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/小時的速度行進約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器，重5千克，能大幅提升徒步士兵負載能力。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，并通過腿部支架連至作戰(zhàn)靴底部，能將士兵負重的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，具有獨特的技術性能特點。一是作戰(zhàn)服上布滿了小型傳感器、功能結構件和致動器，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，能在需要時自動變硬或松弛，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。三是采用被動和主動控制技術，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。同時還能為電池蓄電，重復使用能量來降低能耗。四是采用先進的防彈材料制成，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劃局、哈佛大學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）機械外骨骼由生物傳感器、運動預測與性能增強算法、計算機與電池、驅(qū)動與控制裝置、運動跟蹤傳感器和織物組成，穿戴者需要時啟動電源便可精確完成規(guī)定動作。

美軍已對這些樣服進行了多輪測試評估，且在減小負重對士兵的作用力、降低士兵體能損耗、穩(wěn)定關節(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。從評估結果來看，身穿“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服的士兵背負27.7千克重物仍能正常行走，下一步將開展野外測試。在對哈佛大學樣衣進行的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。按計劃，2016年年底將進行“勇士織衣”樣服的最終測試評估。

2012年以來，哈佛大學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(nèi)置低功耗微處理器和柔性應變傳感器網(wǎng)絡，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險。懷斯生物工程研究所設計了臀部和踝部兩種不同的柔性外骨骼，用于試驗研究。研究團隊還研制了與小型發(fā)動機交互的纜線和滑輪，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。

當前，可穿戴外骨骼技術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、輕質(zhì)先進材料及優(yōu)化控制算法等技術挑戰(zhàn)；“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服已在減小負重對士兵的作用力、降低士兵體能損耗、穩(wěn)定關節(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)展還面臨先進控制、“技術-人員”接口與感知、損傷減輕與預防、人體機能增強等技術挑戰(zhàn)。

二、應用前景

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計，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。美國人體負重外骨骼采用模塊化設計，除機械腿外，還可掛裝月牙形抓鉤、搬運輔助裝置等，不僅使士兵能背負重物徒步行軍，還能便于抓起或搬運重物。未來的外骨骼機器人就像人的衣服一樣，是為士兵量身定做的，能大幅增強士兵負重能力、延長持久機動性、提高運動速度，使之成為“大力士”，從而徹底解決當前徒步士兵攜行能力不足的問題。

SRI公司“超柔”機械外骨骼

智能作戰(zhàn)服使士兵具有綜合防護能力?！坝率靠椧隆敝悄茏鲬?zhàn)服像是肌肉、關節(jié)的感應“增強器”，不僅具有傳統(tǒng)的防彈功能，而且還能增強人體機能，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時傳送給醫(yī)療救護中心，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習能力、人機協(xié)作的顛覆性技術，符合美軍第三次“抵消戰(zhàn)略”的指導思想。

三、未來發(fā)展

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

一是通過改進減輕軍用可穿戴外骨骼的重量、簡化結構，提高性能。美國人體負重外骨骼發(fā)展目標是使士兵負重達到120～180千克?，F(xiàn)有第二代XOS外骨骼機器人是帶纜線型，預計到2020年將研制成無纜線型XOS外骨骼機器人，其技術更先進、性能更好。未來外骨骼機器人能學習士兵的步法和肌肉運動，在士兵負傷或行動受限時協(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。美國將進行“勇士織衣”系統(tǒng)集成，并開展生物力學建模與仿真、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。