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陆军“超能勇士”单兵外骨骼挑战赛侧记
华夏经纬网   2019-11-15 11:17:20   
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    陆战“钢铁侠”精彩来袭

  ——陆军“超能勇士”单兵外骨骼挑战赛侧记

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  在庆祝中华人民共和国成立70周年阅兵式上,装备方队队员佩戴的单兵综合系统一经亮相,网友和军迷们便兴奋不已。

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  网上余温未散,网下战鼓喧天。深秋的北京,陆军“超能勇士”单兵外骨骼挑战赛精彩上演。笔者在现场看到,负重45公斤的士兵在各种复杂地形上疾步如飞、不知疲倦,3米高墙轻松攀爬,3米壕沟连续跨越,近50公斤的炮弹被轻而易举地装填……

  穿戴单兵综合系统和外骨骼系统的士兵,似乎都拥有了超能力,就像《流浪地球》《钢铁侠》等科幻电影中的机甲战士一样。

  此次挑战赛由陆军装备部主办。经过先期分赛区筛选,共有25个单位、29支队伍、50余台样机入围决赛,围绕轻装机动、负重行军、物资搬运、弹药装填等7个项目展开角逐。

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  聚焦实战 角逐激烈

  某项目组的一位负责人指着任务背景类竞赛的起伏路线和城市巷道向笔者介绍:“未来战争需要什么样的装备,我们就研发什么样的装备;未来战场是什么样的形态,我们就设置什么样的考核项目……”

  诚如斯言,此次竞赛任务背景类的轻装机动、负重行军、物资搬运和弹药装填4个比赛项目,均设置了实战应用背景。

  轻装机动和负重行军项目,以单兵在复杂地形条件下的敌后作战、快速穿插、物资前送等为背景。负重行军除了考验单兵负荷45公斤疾行3公里的能力外,还增设模拟战场背负伤员转移能力考核。测试组负责人告诉笔者:“项目内容及评分标准制订,充分研究借鉴了近年来几场局部战争外军长距离、大负荷机动的实战经验,遵循了战伤救治‘白金10分钟’的规律,同时调研了部队在高原山地环境下行进速度受坡度影响等问题。”

  有专家指出,要解决好负重行军的技术难题,关键在高效力学传递系统设计,其优劣直接影响可穿戴外骨骼各系统功能。参赛队之一“超级战士队”设计的可穿戴外骨骼结构,采用仿生学设计,与人体匹配程度高,可根据个人身高进行自动调节。测试中,受试者负重感轻、行军速度快、体能消耗低、转移伤员效率高,颇受评委的青睐。

  在物资搬运项目竞赛中,笔者发现,参赛样机种类不一、结构多样,有的线路虽复杂但操作起来异常便捷;有的看起来笨重但足以使单兵疾步如飞;有的就几块穿戴式贴片却能使人“举重若轻”。带着疑问,笔者仔细询问专家,得知其中奥秘:这些复杂线路,能将电机动力传递至全身各个关节;这些看似笨重但行动便捷的外骨骼,属于刚性外骨骼,是一种仿人体骨骼的动力装置,兼具负载和搬移托举功能,能够增强人的骨骼和关节力量,实现力的传递;这些穿戴式贴片,叫柔性外骨骼,是一种仿人体肌肉的压力释放装置,可以通过计算控制,增强人的肌肉力量,分散身体的压力。

  竞赛现场,气动外骨骼和无动力外骨骼为两个搬运弹药箱的战士提供助力。“究竟哪款更能提高搬运效率呢?”所有人都拭目以待。据专家介绍,气动外骨骼是在人体提升重物的瞬间,向上提供一个冲力,有效增加作业者腰背部的最大肌力峰值;无动力外骨骼则是巧妙利用前置挂钩的力转移原理和弹性储能器件节能原理,将背部压力转化为提升力量。竞赛过程中,两种外骨骼各有千秋,体验过的战士说,用上外骨骼后感觉力大无比,完成任务轻松自如。

  在弹药装填竞赛项目中,虽然都是依靠上肢外骨骼力量,但与气动和无动力外骨骼不同,来自“中兵勇士队”的托举型外骨骼样机,能够针对人体上肢动作进行自由度匹配和优化,实现机械臂对人体大臂、小臂的自由跟随,并由高功率密度电机加强肘关节力矩,有效减轻了托举动作的负重感。

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  技术引领 无限可能

  人们最早设计外骨骼的目的,是辅助增强单兵自身的承载和搬运力量,让单兵在崎岖山地、茂密丛林等复杂地形上,能够负重更多、走得更快、耐力更强。

  近年来,世界主要军事强国相继推出涵盖作战、侦察、通信、防护等要素的士兵系统,彻底突破了传统单兵装备的概念。随着需求推动特别是技术的进步,形态各异、功能多样的外骨骼不断问世,从刚性外骨骼到柔性外骨骼,从有动力外骨骼到无动力外骨骼,从下肢外骨骼、全身外骨骼到单关节外骨骼,各类样机逐渐从实验室原理样机发展到面向战场的真正应用。

  可以说,技术的进步引领着单兵外骨骼系统的发展方向,也使得以往无法想象的情景变成了现实。为了突出技术引领作用,此次竞赛专设了障碍跨越、武器操控、协同控制等比赛项目,竞赛内容贴近部队体能训练和战术环境。

  “这些外骨骼虽好,但会不会束缚战术动作的发挥?”有人提出疑问。“构设实战环境、考核战术能力,建立外骨骼作战效能评估指标体系,是我们组织本次挑战赛的初衷……”一位评委说。

  果然,在技术引领竞赛单元中,生龙活虎的竞赛场面为我们拉直了这个问号——单兵穿戴上外骨骼,不但能够轻松翻越高墙、跨越壕沟、攀爬绳索、穿越管道,还可以灵活操枪、长时间稳定持枪。

  “这得益于步态识别技术和交互力触发系统的发展,在零力矩点平衡控制基础上,融合了灵敏度放大控制算法和智能特征识别控制算法。”来自“航天勇士队”的技术人员向笔者介绍,通过对外骨骼足底交互力系统进行优化,跨越障碍时判断人体蹬地瞬间的足底动作,获取人体及整个系统的零力矩点和瞬间力的需求值,然后把计算结果反馈给主控系统,主控系统对这些数据进行运算调整后传给外骨骼驱动装置,实现对下肢外骨骼的动作调节,可以稳定行走、奔跑、跳跃。

  “野战条件下很难解决能源持续问题,有源类外骨骼的战场价值何在?”观赛的部队官兵提问。

  “突破能源限制,是可穿戴外骨骼应用研究的世界性难题。现有电池技术无法持久地为外骨骼提供能量,需要开发能量强、体积小、驱动力大、安全性高的驱动装置。目前可穿戴外骨骼多采用电机驱动,尽管具有稳定和承受力强等优点,但结构复杂,既增加了外骨骼的重量,又限制了外骨骼行走时的抬腿高度及下蹲幅度。”有关专家早就意识到了这个问题,他们带领团队正在研制一种新型纤维织物,利用“人造肌肉”取代液压系统驱动外骨骼,有望破解这个难题。

  脑电、肌电等信号采集处理技术的发展,为提升单兵外骨骼装备的控制能力和智能化水平提供了多种途径。笔者在协同控制项目竞赛现场了解到,通过脑电和肌电控制,单兵还可以解放双手,实现人体运动意图、语言意图的感知与识别,从而精准操控无人装备,实现人机协同,拓展战术空间。“神经工程中心队”研发的脑肌电控制设备,甚至可以在数十米外,将模拟雷管精准插入直径几厘米的小孔中。

  创新演示 面向未来

  如今,随着单兵装备“以士兵为中心”的发展理念不断深入,单兵外骨骼系统必将加速融入下一代单兵装备体系。

  然而,“一招鲜”难以“吃遍天”,打造未来战场上的“钢铁侠”,既需要在单兵外骨骼系统的研究应用领域取得突破,又要在其他领域有所创新。

  本次竞赛,专门设置了创新演示类项目,设置了防护集成、嵌入融合、意图感知、新兴驱动、单兵飞行5大版块,既有室内展示,也有室外演示。那些琳琅满目的高科技材料、部件及模块,扣人心弦的演示展示,让人叹为观止。

  “单兵外骨骼除了能够为士兵提供强大的机动搬运能力外,还可以通过标准接口,加装不同材料、不同形状的防护组件。”

  “本版块主要展示人工肌肉、仿生动力、高功质比伺服等外骨骼新兴驱动技术。”

  ……

  展区解说员一边热情专业地讲解,一边为观众介绍碳化硼、纳米、钛合金材料,以及生理监测、通信定位、信息显示等功能模块。通过不同材料及模块组合,就能构建满足不同作战环境的外骨骼系统。

  在法国独立日亮相的Flyboard Air单兵飞行器令人刮目相看,尽管价格昂贵、寿命较短、操作性差,但当它用时22分钟飞跃英吉利海峡时,赢得了全世界的掌声。而在这次室外展演项目中,有关团队研发的单兵飞行器一出场便成为焦点:该飞行器不仅可以完成空中悬停、精确绕弯、快速机动等战术动作,还可以实现遥控操作,并搭载武器精准射击。

  展示区出现的飞行概念背包,虽然只是一个概念产品,但相关理论已经成熟,研发进入实质阶段。尤其配备以液态氢气为主要燃料的涡轮发动机的产品,灵活性、机动性、推进力更强,不但可以实现垂直起降,还可以通过可视化控制屏随时精准调控飞行状态,甚至可以启用应急浮力系统实现平稳着陆。

  除此之外,笔者在展区中还看到了一款仿人体的“铠甲”,是集成了全身轻型护甲、助力外骨骼、内置显示器等综合性能的先进外骨骼系统。它能够加装先进防护模块,战士穿上它,能瞬间变身刀枪不入的“钢铁侠”。

  本文图片:陆军“超能勇士”单兵外骨骼挑战赛掠影。荣 璇、胡 灵摄

  张旭航 白明亮 王丽娜 解放军报

 

责任编辑:胡光曲

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