外骨骼裝備在未來(lái)單兵系統中的應用前景

內容摘要：當前世界上很多國家為了應對新軍事變革，都在制定和實(shí)施未來(lái)單兵系統的發(fā)展計劃，以求搶占軍事制高點(diǎn)，但由于這些系統融入了各種先進(jìn)的軍事裝備，士兵的負重也大大增加，不利于任務(wù)的及時(shí)完成，外骨骼裝備的出現及應用將改變這種局面。外骨骼裝備既可以為士兵增強負重能力，也可以作為一個(gè)非常不錯的武器搭載平臺，通過(guò)集成多種先進(jìn)武器裝備使普通士兵成為一個(gè)強大的作戰單元，同時(shí)無(wú)需考慮過(guò)多的負重對士兵的影響。外骨骼裝備將在未來(lái)單兵系統中起到重要作用，具有廣闊的應用前景。

關(guān)鍵詞：單兵系統；外骨骼；應用前景

一、研究背景

當前世界上很多國家著(zhù)眼于未來(lái)的戰爭需要，都在大力發(fā)展自己的未來(lái)單兵系統，目前著(zhù)名的有美國的陸地勇士（Land Warrior）計劃，如圖1所示。俄羅斯的狼/士兵2000系統（Project-Wolf/Soldier2000）、法國的未來(lái)步兵（FELIN）和以色列的“阿諾格”計劃（ProjectAnog），如圖2所示。這些系統都集合了眾多的先進(jìn)技術(shù)裝備，將單兵的作戰能力與以前相比提高了很多，雖然采用了多種新型材料來(lái)減輕部分裝備的重量，但是單兵的負載還是過(guò)重，不利于單兵的快速行進(jìn)和任務(wù)的及時(shí)完成。對未來(lái)作戰而言，城市中的巷戰將成為主要的作戰形式，各種重型武器將很難發(fā)揮作用，更多的軍事任務(wù)將落在步兵的身上，而越來(lái)越多的單兵裝備讓普通士兵在行軍時(shí)疲憊不堪，外骨骼裝備的出現很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。

外骨骼實(shí)質(zhì)上是一種可穿戴機器人^[1]，是一種可以讓人穿戴的機械裝置，它將人類(lèi)的智力和機器人的“體力”結合在一起，依靠人的智力來(lái)控制機器人，通過(guò)機器人來(lái)完成僅靠人的自身能力無(wú)法單獨完成的任務(wù)^[2]。美國在這方面的研究走在了前列，五角大樓認為，未來(lái)單兵系統應當全面實(shí)現機械化和自動(dòng)機器人化，并責成國防高級研究計劃局負責，撥款5000萬(wàn)美元從事外骨骼機器人項目的研究，作為這個(gè)系統中的一部分，這種金屬外骨骼可以讓普通士兵在負重較大的情況下依然健步如飛，更重要的是它有望成為各種武器裝備的支架，從而大幅度提升單兵的作戰能力。近年來(lái)外骨骼機器人的研究開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為機器人技術(shù)、機電工程、自動(dòng)控制、生物工程以及人工智能等學(xué)科領(lǐng)域中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)^[3]，并在軍事、科研、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中逐步得到了廣泛的應用。

圖1 美國的陸地勇士

圖2 法國的未來(lái)士兵系統

二、研究現狀

近年來(lái)代表性的研究成果主要有伯克利大學(xué)下肢外骨骼助力裝置（BLEEX）系統，如圖3所示。某公司XOS2外骨骼系統，如圖4所示。某公司HULC系統，如圖5所示。俄羅斯“某”系統，如圖6所示。BLEEX系統雖然可以幫助士兵多負載32kg的重量^[4]，但還不是一個(gè)實(shí)用機械，它的體積過(guò)大，對使用者的動(dòng)作有限制，致使應用環(huán)境受到限制，可靠性和自持能力還有待提高，因此作為軍事用途還遠遠不能達到要求。XOS2骨骼系統是美國雷神公司研制的第二代外骨骼裝置，由傳感器、執行機構和控制器等組成，利用高壓液壓驅動(dòng)。XOS2可使穿戴者將質(zhì)量約90kg的重物反復舉起幾百次而不感到疲勞，其提供的動(dòng)力還可使穿戴者重復擊穿76mm厚的木板。

圖3 BLEEX系統

圖4 XOS2系統

但目前“XOS2”有一個(gè)重大缺陷，就是XOS2還要拖著(zhù)一條電線(xiàn)才行，而自帶的電池只能使用40min，所以很難與未來(lái)單兵系統相融合。某公司 HULC系統的最大負重量可以達到100kg以上，這些負重全部由背上的托盤(pán)承擔，然后通過(guò)機械腿直接傳遞到地面，穿戴者幾乎感覺(jué)不到任何重量。HULC系統配備了某公司的燃料電池，能夠持續工作長(cháng)達72h，在一次充滿(mǎn)電后，HULC可保證穿著(zhù)者以4.8km/h的速度背負90kg重物持續行進(jìn)1個(gè)小時(shí)，而穿著(zhù)外骨骼的奔跑沖刺速度可達到16km/h。目前，作為最接近實(shí)戰需要的外骨骼裝備，HULC系統已經(jīng)少量的裝備美軍。作為美軍現役的外骨骼裝備，HULC系統是一個(gè)非常不錯的平臺，未來(lái)可以在這個(gè)平臺上裝備很多適合戰場(chǎng)作戰的單兵裝備，而不需考慮過(guò)多的負重給士兵帶來(lái)的影響。俄羅斯將在2015年前研制并裝備的新式作戰服“士兵—21”全稱(chēng)為“外骨骼機器人”，目標是全面提高士兵的作戰能力?！坝率俊?1”系統包括金屬腿、背包式外架和相應的動(dòng)力設備，并配有活力攻擊、控制、生命及能源保障等裝備。這套裝備與士兵身體的有效結合，幫助其承擔95%的身體負重，以保證步兵在攜帶重物時(shí)仍能飛奔^[5]。

圖5 HULC系統

圖6 “勇士—21”系統

三、應用前景

外骨骼機器人是一個(gè)復雜的人機耦合的一體化系統^[6]，有著(zhù)廣泛的軍事應用潛力。以上幾個(gè)外骨骼裝備都集成了控制、能量、結構、促動(dòng)和生物機械學(xué)等方面的最新科技成就，它們的目標就是與未來(lái)單兵系統相結合，使普通士兵成為“超人”。憑借外骨骼可以讓士兵有效減負的作用，武器系統可以直接安裝在套裝系統上，使士兵成為一個(gè)武器平臺。在世界各國研制未來(lái)單兵系統的過(guò)程中，大力發(fā)展和應用外骨骼技術(shù)成為一種趨勢。美國陸軍正在開(kāi)發(fā)一套集成納米技術(shù)、外骨骼和流體身體護甲的未來(lái)單兵系統，其中外骨骼裝備將承擔這套系統的絕大部分重量。這種外骨骼裝備由輕質(zhì)復合設備組成，這些設備連接到士兵腿部來(lái)增強力量，整個(gè)外骨骼最多可將搬運能力提高300%，可以讓體重為40多公斤的男性或女性將重100多公斤的男性或女性抱離或背離戰場(chǎng)，而根本感覺(jué)不到有多少負重。如果外骨骼能夠感應人體活動(dòng)并對其及時(shí)做出反應，能夠提供足夠強大的能量源，將來(lái)自能量源的能量轉換為可用的促動(dòng)能量并輔助穿戴者開(kāi)展活動(dòng)，那么外骨骼裝備將在未來(lái)的單兵系統中具有廣闊的應用前景。

目前擺在開(kāi)發(fā)者面前的挑戰是巨大的，為了開(kāi)發(fā)出這種外骨骼，新的設備和發(fā)明將不斷涌現，未來(lái)的外骨骼系統將裝備更加先進(jìn)的軟件、更加耐用的電池，采用使用度更廣的設計，并和先進(jìn)的武器裝備相融合，使普通士兵成為可以在負重較多的情況下跳過(guò)較高物體和快速奔跑的超級戰士。在不久的將來(lái)，飛行能力也將被集成到外骨骼裝備中，從而使士兵的作戰范圍和能力超越傳統的概念^[7]?？梢韵胂?，如果普通士兵穿上了已經(jīng)融合各種先進(jìn)武器的外骨骼裝備，那么他們的戰斗力將會(huì )多么恐怖。他們可以在負重更多的情況下，以更快速、更強大的火力投入戰斗。同時(shí)，如果后勤保障部隊裝備了外骨骼，那么一個(gè)普通士兵就可以做到平時(shí)需要幾個(gè)人才能搬運的炮彈等物資，大大的減少后勤補給時(shí)間和人員，從而極大的提高部隊的作戰能力。

隨著(zhù)科技的進(jìn)步，外骨骼同樣可以裝備于航天方面，輔助宇航員進(jìn)行空間活動(dòng)?；蛟S不久的以后，集合了各種先進(jìn)技術(shù)的外骨骼就會(huì )像《鋼鐵俠》中的那套鋼鐵戰衣一般，具有非凡的能量，可以讓普通士兵成為像史塔克那樣的超人。

四、總結

外骨骼作為可以改變士兵戰場(chǎng)生存環(huán)境的一種新技術(shù)，或許因為它的出現，未來(lái)的戰爭形式將發(fā)生根本性的改變。目前外骨骼技術(shù)在國際上發(fā)展迅速，作為未來(lái)步兵的必備科技，各國都在加緊研究外骨骼技術(shù)，并將其和未來(lái)的單兵系統相融合，通過(guò)提高單兵作戰能力從而提升整個(gè)部隊的戰斗力。雖然還有很多技術(shù)問(wèn)題需要解決，但還是有廣闊應用前景的。