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外骨骼系统将如何改变单兵战斗方式
华夏经纬网   2018-08-30 09:33:52   
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    外骨骼系统将如何改变单兵战斗方式

  在一些军事和功夫大片中,我们经常可以看到创作者构想出来的“超级战士”,他们身材魁梧、力大无比,堪称“无敌金刚”。随着人体增强技术的发展与应用,一种新型的军用外骨骼系统应运而生,为运用高新技术打造真正的“超级战士”奠定了重要基础。

  外骨骼系统可提高单兵的负重能力

  人体最重要的承力支撑结构是骨骼系统和附着在骨骼上的肌肉,但骨骼系统和肌肉所能承载的力量是有限的,一旦超限就会造成机体功能受损。因此,单兵的负重能力和行动能力有时是一对矛盾。

  在徒步行军时,全副武装的士兵需要携行自己的武器弹药、防护装具、野营装具以及食品、水等生活补给品,负重能力的极限值通常是几十公斤。但在作战行动中,士兵往往需要背负更多、更重的武器装备和作战物资,体能消耗大,严重影响到行动敏捷性和机动能力。尤其是在一些特殊地形如高原山地、山岳丛林、沙漠等作战时,背负大量装备物资的士兵体能消耗更大、更快。如何既能增大士兵的负重能力,同时又能让其保持充沛的体力呢?全新的外骨骼系统可以在体力增强上发挥出强有力的辅助作用。

  外骨骼系统是一种人员可以穿戴的机电一体化设备,一般由感知系统、控制系统、动力系统、仿生机械系统和能源系统组成,主要用于增强穿戴者的力量、速度、耐力等。国外研制的大部分外骨骼系统属于“行走机构+控制系统+电源装置”的组合体。

  对于外骨骼系统,大家早就在奥运赛场上领略过它的风采。双腿截肢的南非残疾人运动员奥斯卡·皮斯托瑞斯曾经创下奇迹,在2008年北京残奥会上包揽100米、200米、400米三枚金牌,在2012年8月伦敦奥运会上获准与健全人一起参加田径比赛,在男子400米预赛中取得小组第二名而成功晋级半决赛。皮斯托瑞斯被称为“刀锋战士”,完全依靠机械电子装置的外骨骼系统实现了残奥会夺冠的梦想。但皮斯托瑞斯后来走上了暴力犯罪的歧途,在2013年枪杀女友,以谋杀罪被判入狱13年5个月。

  方兴未艾的军用外骨骼系统

  近年来,美国、俄罗斯、法国等陆续启动了多个军用外骨骼系统项目,以增强士兵的负载能力和作战能力,同时保持士兵的身体健康。目前,军用外骨骼系统还处在大力发展过程之中。作为提高单兵负重能力的外部辅助系统,外骨骼系统有着极大的吸引力,但在减少自身重量和电源能耗、增大装置灵活性、降低成本等方面尚待突破。

  美国军方支持的外骨骼系统研制项目较多。美国防部国防高级研究计划局(DARPA)积极推进“增强人体机能外骨骼”项目,旨在研制帮助地面部队士兵携带更多武器弹药、更好防护装具和更多补给品的外骨骼系统。在DARPA资助下,加州大学伯克利分校开发出BLEEX下肢外骨骼系统,雷声公司开发出 XOS全身式外骨骼系统。

  加州大学伯克利分校研制的BLEEX整体上由一个用于负重的背包式外架、两条机械腿及相关的液压驱动装置组成,自重45公斤,负重35公斤,而穿戴者感觉只有两公斤。

  军工巨头洛克希德·马丁公司联合加州大学伯克利分校,共同推出了被称为“人体负重外骨骼”的仿人体结构特点设计的外部穿戴式机械骨骼系统,由钛合金制成的机械腿、驱动装置和控制计算机以及背部负重结构、散热单元等组成。

  该装置既能使士兵完成爬行、深蹲、提举重物等一系列动作,又能减少士兵因提举较重战斗载荷而引发的肌肉或骨骼损伤,全重约32公斤,最大负重超过100公斤,能保证穿戴者背负90公斤重物以每小时4.8公里的速度行走1个小时。

  环球网2017年年底援引国外报道称,美国陆军正在测试可以释放膝部压力的FORTIS外骨骼系统。其利用人工智能来分析和复制人的行走模式,为作战步兵提供额外的力量和机动能力,并使士兵可以承受更大的负重,能够敏捷地完成全负荷行军。

  FORTIS由洛克希德·马丁公司打造,旨在帮助士兵跑动、演习、携带受伤战友以及执行各种作战任务,同时防止膝盖过度伸展,类似产品已被美国海军特种部队海豹突击队采购使用,并衍生出系列化的民用商品。

  FORTIS采用独立的执行器、电机和轻型保形结构,使用一块重约1360克的可充电锂电池供电,能让携带82公斤重物的士兵不那么费力地爬上五层楼梯,可以帮助执行任务的士兵节省9%的体力,在近距离的城市作战中获得奇效,因为它可以帮助提升士兵的机动性、速度和力量。

  2010年年初,另一家美国军工巨头雷声公司推出改进型XOS-2外骨骼系统,并被美国《时代》周刊杂志评选为2010年度“最具震慑力”的发明。它由一系列结构、传感器、执行机构和控制器组成,主要利用高压液压驱动,堪称真实版的“钢铁侠战衣”。这套外骨骼系统能使穿戴者将重约90公斤的重物反复举起几百次,而且不会感到疲劳,同时还能连续击穿厚度3英寸(约7.5厘米)的木板。

  法国军方研制的“大力神”可穿戴式外骨骼系统能够辅助士兵,增强其在战场上的负重能力和持续作战能力。“大力神”主要由机械腿(由机械装置、计算机和电子装置组合而成)和背部支撑架组成,使穿戴者能够轻松背负重物。其可以携载100公斤重物,使穿戴者以每小时4公里的速度行进约20公里。

  2015年,德国一家工程研究机构研发成功名为Robo-Mate的可穿戴式外骨骼系统,它能为体力劳动者提供手臂、腿部和背部的金属机械支撑,令他们工作时托举、负重能力提高到原来的10倍。该机构在2013年年底开始投入研发,吸纳欧洲7个国家12家研究机构的工程师组成项目组。研究人员使用的软件可以模拟出工人的行为,并精确感应到身体开始用力的时刻,帮助开发出最适合工人使用的外骨骼系统。

  该系统主要增强了人体三个部分即手臂、躯干和腿的能力。据研究者介绍和实际展示,其手臂模组可让10公斤的汽车座椅拿起来就像1公斤一样轻,躯干模组可在举起重物时保护脊柱,而腿部模组可让工人轻松保持蹲下的姿势,不会消耗掉额外的力气。

  外骨骼系统发展的新方向

  除了上述几种硬质结构的外骨骼系统,还有另一类轻质柔性外骨骼系统,它可以穿戴在士兵作战服里面,成为军用外骨骼系统发展的新方向和新重点。

  2013年5月,美军特种作战司令部提出研制供士兵使用的“战术突击轻型作战服”,拟采用外骨骼系统大幅度减轻士兵负重的体力消耗,并集成可瞬间固化的液体防护装甲、温度调节装置、救护装置和态势感知装置等。

  美国DARPA资助研制的“勇士织衣”就是一种重量轻、柔韧性好的内穿型作战服,它更像是人体肌肉、关节的感应“增强器”,不仅具有传统的防弹功能,还能增强人体机能,使士兵能够背负重物进行长时间行军。

  美国军方对“勇士织衣”提出的作战指标要求是:功率小于100瓦,质量不超过9公斤,电池重约4.5公斤,在不充电情况下可以持续工作24小时,士兵背负45公斤重物、以每小时4.5公里的速度在平地上行走时,可以减少25%的代谢消耗。

  此外,人们还在探索试验外骨骼系统的另一种应用,就是利用外骨骼系统相关技术成果,通过手术式外骨骼埋植技术,实现把外骨骼系统埋植到机体内,成为一种人造的替代骨骼。

  外骨骼系统是军事仿生学、人工智能、信息技术、机械电子技术等高新科技成果综合集成运用的产物,随着其技术越来越成熟,终有一天会让“超级战士”梦想成真。

  立文 来源:中国青年报

 

责任编辑:胡光曲

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