外骨骼系统开始迈向实战应用

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外骨骼系统开始迈向实战应用

原标题:“机甲战士”正向我们走来热映的科幻影片《流浪地球》中,救援队员身上那套犹如机器战甲一般拥有强大战斗力的单兵外骨骼系统,给人留下了深刻印象。

该系统并非简单的电影道具,而是有着很强的现实基础,可看作是当今世界一些国家所研发同类产品的“未来版”或“升级版”。 近年来,美、俄等军事强国都加大了对该系统的研发和创新力度,未来或许将会有力量更强、速度更快和超负荷能力的单兵外骨骼系统显威战场,对信息化战争产生重大影响。 优势明显,表现非凡从影片《流浪地球》开头男主角刘启与多人搏斗开始,智能化的外骨骼系统就频繁出镜。

这套系统被如此描述:采用石墨烯外壳、氚电池动力,符合人体工程学和仿生学,还拥有优异的保温性能,使救援人员在极端条件下仍可保持作战能力。 穿戴外骨骼系统,可使士兵的生理功能得到放大,甚至能与一辆轻型坦克相抗衡,在战场上具有超强的作战能力。 ——力大无比,举重百斤易如反掌。 影片中的外骨骼系统,采用液压助推器装置,正是靠着它,队员们才能手动推动“撞针”,激发行星发动机内的核聚变反应。

救援队重火力组成员锤子的外骨骼还带有一个背负式重武器支架,除了自动步枪等轻型武器外,还能携带一挺多管米尼岗重型机枪和大量弹药,平时折叠置于背后,需要时转到身前。

射击时,外骨骼可提供辅助支撑,保证射击稳定性。 该背负式外挂旋转武器支架必要时还可改装成单兵导弹系统。 ——身轻如燕,飞檐走壁如履平地。 众所周知,无论古时征战,还是在现代信息化战场,士兵乃完成战术动作的基础。 但不能否认,即使士兵体格过人、训练有素、身手不凡、精力充沛,行走、奔跑、跳跃、跨障、攀爬等能力也是有限的,在复杂的作战条件下和险恶的战场环境中更加受限。

电影为我们描绘了这样一幅未来图景:救援队员徒手攀爬高达数百米的垂直电梯间,抓力之强甚至能使手指嵌入金属墙面,使得士兵能弹跳如簧,轻轻松松跨越障碍。

——行走如飞,日行百里轻而易举。 军队在为士兵提供充足食物和营养的同时,还要对士兵进行持续的高强度的训练,以期在保证士兵身体健康的情况下,拥有健壮的体格,始终能在战场上保持旺盛的战斗力。 然而,通过保健、营养和训练等方式增强士兵体能,效果毕竟有限,在当今信息时代必须借助高科技手段。

影片中,穿戴外骨骼系统,拥有了强大的机动力,两人就可拖动数吨重的“火石”,穿越复杂地形进行长距离徒步行军。

原理复杂,发展迅速单兵外骨骼系统,是一种可让人穿戴的、柔性的智能化机器系统,它通过高功率的驱动装置,以非刚性的连接方式套装在人体外,模仿人体结构特点,辅助人的肢体运动,分散、均衡和缓解人体负重,从而达到增强人体功能的目的。

系统大体分为被动外骨骼和动力外骨骼两种。

前者无需能源驱动,主要借助可穿戴的柔性装置,使士兵肩部、脊柱、腿部和脚踝等部分的负重转移分散,以减轻士兵身体的承重负担。

后者一般由钢铁框架或者其他高强度耐用材料框架构成,通常配置有电机和传感器等,需电源驱动,能提供额外的能量,更好地辅助、协调和促进士兵的四肢运动,且容易整合并融入到可穿戴或随身的单兵装备中。

动力外骨骼工作时,首先由附着在士兵不同部位的传感器感应和判断人体动作意图,收集人体动作信息,将这些信息传递给计算机进行处理并形成指令,然后再将这些指令传递到相应的控制器,控制处于士兵各部分关节的电机和机械传动部件输出能量,来辅助人体的肌肉活动和肢体运动,协调人体动作并提高灵活性,使人体在负重状态下能活动自如,在搬运或举起重物时也能易如反掌。

由于外骨骼系统的巨大潜力,它早已成为各国争相发展的“宠儿”。

现如今,世界上有20多个国家和地区在积极研发士兵穿戴的外骨骼系统,美国、俄罗斯、加拿大和欧洲等国的技术尤为先进,并开始迈向实战应用。 美国无疑是世界外骨骼系统研制的先锋。 多年来,其很多公司都在与军方进行合作开发,并取得了成功。 美国雷神公司已为陆军研发了两代外骨骼系统,2010年10月进行测试演示的第二代XOS-2外骨骼系统,能使士兵在不知疲倦的情况下将重约100千克的重物反复举起几百次。

洛马公司为陆军研制的改进型人体负重外骨骼系统HULC,一次充电可持续工作72小时,能背负90千克重物以千米/小时的速度在野战环境下持续行走1个小时,还能配置防护装甲,对士兵可更好地加以防护。 俄罗斯在军用外骨骼系统的研究方面也取得了令人瞩目的成绩。

目前正在研制并可能不久后配发部队的第二代“勇士-21”外骨骼系统,采用纳米材料技术,可承担步兵大约95%的载重负荷,使士兵在全装满负荷的情况下也能流畅而敏捷地奔跑和跳跃,行进速度可达16千米/小时。 该款外骨骼系统采取多片组合的方式,与人的生理部位几乎完全贴合,使其对人运动时的阻碍降到了极致。 此外,它还初步实现了与数字化单兵武器系统的集成,具有攻击、防护和生命与能源保障等功能。

挑战重重,前景广阔现有外骨骼系统的研究已有很大进展,但要真正让其成为士兵标配并走上战场,还有很长一段路要走。

——在供电系统上,电池体积和重量较大、功率较小、续航时间较短,导致其功能扩展和持续工作时间不足。 ——在材料应用上,不够坚固轻巧,弹性柔性不足,降低了外骨骼系统穿戴的舒适度,减小了增添护具提高防护能力的余地,同时加大了人体轮廓,增加了中弹几率,影响了士兵的灵活性。

——在数据处理上,速度跟不上,控制敏捷性不够,使得外骨骼系统反应时间延长,相应部位的构件动作灵活性变差,难以很好地实现与士兵同步,带来了人体的疲劳感,增大了能量损耗。

——在传感器功能上,分辨力不强,灵敏度不够,易引起外骨骼系统对诸如打喷嚏、咳嗽和肌肉痉挛等无意动作的误判,或使有些关节部位的构件动作反应滞后,扰乱人体行动的正常节奏,甚至使士兵失去平衡或产生附带伤害。 即便如此,外骨骼系统的发展前景依然十分广阔。

——可瞄准现实问题,实现技术突破。 立足当前外骨骼系统存在的现实问题,开发燃料电池在内的各种新型能源,研发智能型传感器、高性能处理器以及高精度控制器等,使用先进复合材料制作相应部件,不断降低外骨骼系统的体积重量,改善其柔性弹性,优化其穿着舒适度,并提高其性能和可靠性。

——可立足战场需要,拓展综合能力。

增强和拓展飞跃和攀爬功能,采用更加轻型的柔性折叠材料,按照仿生学原理制作相应的组件模块,使外骨骼系统助力士兵进行短距离滑翔,并像壁虎一样攀爬墙壁。 将单兵数字化武器系统组件融入外骨骼系统,或将智能头盔、智能眼镜等可穿戴装备与其集成在一起,使其同时拥有信息获取与传输、战场感知、路线追踪等能力,进一步提升士兵的单兵作战水平和协同作战能力。

——可针对战场环境,提高生存能力。

依照防护需要进行结构设计,将头盔和防弹衣的功能整合进来,使外骨骼系统不仅能防水、防火,还能防弹、防爆炸物碎片、防生化污染物。

增加生命支持系统,采用特殊材料的纤维织物、健康感应器与药物释放组件,使外骨骼系统既能实时监测人体的心率、血压和体温等指标,对士兵体能和健康状况及时做出判断和预警,缓解士兵疲劳,减少士兵伤病,也能对士兵的关键受伤部位快速止血和治疗,提高士兵的生存几率。 (赵林曾德海)。