穿戴单兵综合系统和外骨骼系统的士兵

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“這些外骨骼雖好,但會不會束縛戰術動作的發揮?”有人提出疑問。“構設實戰環境、考核戰術能力,建立外骨骼作戰效能評估指標體系,是我們組織本次挑戰賽的初衷……”一位評委說。

此次挑戰賽由陸軍裝備部主辦。經過先期分賽區篩選,共有25個單位、29支隊伍、50餘台樣機入圍決賽,圍繞輕裝機動、負重行軍、物資搬運、彈葯裝填等7個項目展開角逐。

“野戰條件下很難解決能源持續問題,有源類外骨骼的戰場價值何在?”觀賽的部隊官兵提問。

“本版塊主要展示人工肌肉、仿生動力、高功質比伺服等外骨骼新興驅動技術。”

技術引領 無限可能人們最早設計外骨骼的目的,是輔助增強單兵自身的承載和搬運力量,讓單兵在崎嶇山地、茂密叢林等複雜地形上,能夠負重更多、走得更快、耐力更強。

近年來,世界主要軍事強國相繼推出涵蓋作戰、偵察、通信、防護等要素的士兵系統,徹底突破了傳統單兵裝備的概念。隨著需求推動特別是技術的進步,形態各異、功能多樣的外骨骼不斷問世,從剛性外骨骼到柔性外骨骼,從有動力外骨骼到無動力外骨骼,從下肢外骨骼、全身外骨骼到單關節外骨骼,各類樣機逐漸從實驗室原理樣機發展到面向戰場的真正應用。

“突破能源限制,是可穿戴外骨骼應用研究的世界性難題。現有電池技術無法持久地為外骨骼提供能量,需要開發能量強、體積小、驅動力大、安全性高的驅動裝置。目前可穿戴外骨骼多採用電機驅動,儘管具有穩定和承受力強等優點,但結構複雜,既增加了外骨骼的重量,又限制了外骨骼行走時的抬腿高度及下蹲幅度。”有關專家早就意識到了這個問題,他們帶領團隊正在研製一種新型纖維織物,利用“人造肌肉”取代液壓系統驅動外骨骼,有望破解這個難題。

聚焦實戰 角逐激烈某項目組的一位負責人指著任務背景類競賽的起伏路線和城市巷道向筆者介紹:“未來戰爭需要什麼樣的裝備,我們就研發什麼樣的裝備;未來戰場是什麼樣的形態,我們就設置什麼樣的考核項目……”

……展區解說員一邊熱情專業地講解,一邊為觀眾介紹碳化硼、納米、鈦合金材料,以及生理監測、通信定位、信息顯示等功能模塊。通過不同材料及模塊組合,就能構建滿足不同作戰環境的外骨骼系統。

可以說,技術的進步引領著單兵外骨骼系統的發展方向,也使得以往無法想象的情景變成了現實。為了突出技術引領作用,此次競賽專設了障礙跨越、武器操控、協同控制等比賽項目,競賽內容貼近部隊體能訓練和戰術環境。

有專家指出,要解決好負重行軍的技術難題,關鍵在高效力學傳遞系統設計,其優劣直接影響可穿戴外骨骼各系統功能。參賽隊之一“超級戰士隊”設計的可穿戴外骨骼結構,採用仿生學設計,與人體匹配程度高,可根據個人身高進行自動調節。測試中,受試者負重感輕、行軍速度快、體能消耗低、轉移傷員效率高,頗受評委的青睞。

腦電、肌電等信號採集處理技術的發展,為提升單兵外骨骼裝備的控制能力和智能化水平提供了多種途徑。筆者在協同控制項目競賽現場瞭解到,通過腦電和肌電控制,單兵還可以解放雙手,實現人體運動意圖、語言意圖的感知與識別,從而精準操控無人裝備,實現人機協同,拓展戰術空間。“神經工程中心隊”研發的腦肌電控制設備,甚至可以在數十米外,將模擬雷管精準插入直徑幾釐米的小孔中。

在物資搬運項目競賽中,筆者發現,參賽樣機種類不一、結構多樣,有的線路雖複雜但操作起來異常便捷;有的看起來笨重但足以使單兵疾步如飛;有的就幾塊穿戴式貼片卻能使人“舉重若輕”。帶著疑問,筆者仔細詢問專家,得知其中奧秘:這些複雜線路,能將電機動力傳遞至全身各個關節;這些看似笨重但行動便捷的外骨骼,屬於剛性外骨骼,是一種仿人體骨骼的動力裝置,兼具負載和搬移托舉功能,能夠增強人的骨骼和關節力量,實現力的傳遞;這些穿戴式貼片,叫柔性外骨骼,是一種仿人體肌肉的壓力釋放裝置,可以通過計算控制,增強人的肌肉力量,分散身體的壓力。

競賽現場,氣動外骨骼和無動力外骨骼為兩個搬運彈葯箱的戰士提供助力。“究竟哪款更能提高搬運效率呢?”所有人都拭目以待。據專家介紹,氣動外骨骼是在人體提升重物的瞬間,向上提供一個衝力,有效增加作業者腰背部的最大肌力峰值;無動力外骨骼則是巧妙利用前置掛鉤的力轉移原理和彈性儲能器件節能原理,將背部壓力轉化為提升力量。競賽過程中,兩種外骨骼各有千秋,體驗過的戰士說,用上外骨骼後感覺力大無比,完成任務輕鬆自如。

然而,“一招鮮”難以“吃遍天”,打造未來戰場上的“鋼鐵俠”,既需要在單兵外骨骼系統的研究應用領域取得突破,又要在其他領域有所創新。

“單兵外骨骼除了能夠為士兵提供強大的機動搬運能力外,還可以通過標準接口,加裝不同材料、不同形狀的防護組件。”

陸軍“超能勇士”單兵外骨骼挑戰賽掠影。榮璇 胡靈 攝

網上餘溫未散,網下戰鼓喧天。深秋的北京,陸軍“超能勇士”單兵外骨骼挑戰賽精彩上演。筆者在現場看到,負重45公斤的士兵在各種複雜地形上疾步如飛、不知疲倦,3米高牆輕鬆攀爬,3米壕溝連續跨越,近50公斤的炮彈被輕而易舉地裝填……

誠如斯言,此次競賽任務背景類的輕裝機動、負重行軍、物資搬運和彈葯裝填4個比賽項目,均設置了實戰應用背景。

輕裝機動和負重行軍項目,以單兵在複雜地形條件下的敵後作戰、快速穿插、物資前送等為背景。負重行軍除了考驗單兵負荷45公斤疾行3公里的能力外,還增設模擬戰場背負傷員轉移能力考核。測試組負責人告訴筆者:“項目內容及評分標準制訂,充分研究借鑒了近年來幾場局部戰爭外軍長距離、大負荷機動的實戰經驗,遵循了戰傷救治‘白金10分鐘’的規律,同時調研了部隊在高原山地環境下行進速度受坡度影響等問題。”

“這得益於步態識別技術和交互力觸發系統的發展,在零力矩點平衡控制基礎上,融合了靈敏度放大控制算法和智能特征識別控制算法。”來自“航天勇士隊”的技術人員向筆者介紹,通過對外骨骼足底交互力系統進行優化,跨越障礙時判斷人體蹬地瞬間的足底動作,獲取人體及整個系統的零力矩點和瞬間力的需求值,然後把計算結果反饋給主控系統,主控系統對這些數據進行運算調整後傳給外骨骼驅動裝置,實現對下肢外骨骼的動作調節,可以穩定行走、奔跑、跳躍。

除此之外,筆者在展區中還看到了一款仿人體的“鎧甲”,是集成了全身輕型護甲、助力外骨骼、內置顯示器等綜合性能的先進外骨骼系統。它能夠加裝先進防護模塊,戰士穿上它,能瞬間變身刀槍不入的“鋼鐵俠”。

在法國獨立日亮相的Flyboard Air單兵飛行器令人刮目相看,儘管價格昂貴、壽命較短、操作性差,但當它用時22分鐘飛躍英吉利海峽時,贏得了全世界的掌聲。而在這次室外展演項目中,有關團隊研發的單兵飛行器一齣場便成為焦點:該飛行器不僅可以完成空中懸停、精確繞彎、快速機動等戰術動作,還可以實現遙控操作,並搭載武器精準射擊。

在慶祝中華人民共和國成立70周年閱兵式上,裝備方隊隊員佩戴的單兵綜合系統一經亮相,網友和軍迷們便興奮不已。

穿戴單兵綜合系統和外骨骼系統的士兵,似乎都擁有了超能力,就像《流浪地球》《鋼鐵俠》等科幻電影中的機甲戰士一樣。

本次競賽,專門設置了創新演示類項目,設置了防護集成、嵌入融合、意圖感知、新興驅動、單兵飛行5大版塊,既有室內展示,也有室外演示。那些琳琅滿目的高科技材料、部件及模塊,扣人心弦的演示展示,讓人嘆為觀止。

在彈葯裝填競賽項目中,雖然都是依靠上肢外骨骼力量,但與氣動和無動力外骨骼不同,來自“中兵勇士隊”的托舉型外骨骼樣機,能夠針對人體上肢動作進行自由度匹配和優化,實現機械臂對人體大臂、小臂的自由跟隨,並由高功率密度電機加強肘關節力矩,有效減輕了托舉動作的負重感。

展示區出現的飛行概念背包,雖然只是一個概念產品,但相關理論已經成熟,研發進入實質階段。尤其配備以液態氫氣為主要燃料的渦輪發動機的產品,靈活性、機動性、推進力更強,不但可以實現垂直起降,還可以通過可視化控制屏隨時精準調控飛行狀態,甚至可以啟用應急浮力系統實現平穩著陸。

創新演示 面向未來如今,隨著單兵裝備“以士兵為中心”的發展理念不斷深入,單兵外骨骼系統必將加速融入下一代單兵裝備體系。

果然,在技術引領競賽單元中,生龍活虎的競賽場面為我們拉直了這個問號——單兵穿戴上外骨骼,不但能夠輕鬆翻越高牆、跨越壕溝、攀爬繩索、穿越管道,還可以靈活操槍、長時間穩定持槍。

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