仿生彈藥時代的新浪潮＊

劉 方 肖玉杰 代 平 邱志明

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.總裝武漢軍事代表局 武漢 430312）（3.海軍裝備研究院 北京 100161）

1 引言

與傳統(tǒng)的非仿生彈藥相比，仿生彈藥具有惡劣條件環(huán)境下的超常適應(yīng)性、超常感知能力和蔽障能力、特定環(huán)境下的超常偽裝能力、甚至是復(fù)雜環(huán)境下的超近距離精確探測、捕獲與攻擊能力等。在當(dāng)前安全保障、反恐作戰(zhàn)以及未來信息化戰(zhàn)爭中具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢，是無人系統(tǒng)研究領(lǐng)域的發(fā)展重點和方向之一。

仿生彈藥的優(yōu)勢不在于某個單一裝備的性能，而在于通過遠(yuǎn)距離大批量使用，實現(xiàn)全方位超近距精準(zhǔn)探測、識別、捕獲和攻擊的能力，在偵察、監(jiān)視和目標(biāo)捕獲、救援以及越野地形運輸?shù)确矫婢哂歇毺氐膽?yīng)用優(yōu)勢，可在城區(qū)作戰(zhàn)、反恐作戰(zhàn)、山地叢林作戰(zhàn)及其他特種作戰(zhàn)中發(fā)揮重要的作用，軍事應(yīng)用前景顯著。目前，美國空軍明確要制造小型甚至微型的攻擊型仿生彈藥，這些仿生無人協(xié)同作戰(zhàn)彈藥適用于復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，并以“蜂群”協(xié)同方式使用，以打擊城區(qū)內(nèi)的目標(biāo)。這類像生物一樣“飛行與行走”的仿生彈藥被認(rèn)為是2025年后戰(zhàn)場上的重要裝備之一。

目前，美國的仿生彈藥技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，學(xué)習(xí)和借鑒美國的成功經(jīng)驗，對于盡早規(guī)劃和開展我國相關(guān)技術(shù)的研究具有重要的意義。

2 仿生彈藥概念及內(nèi)涵

仿生學(xué)是模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者是人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特性的科學(xué)［1］。簡言之，仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。

仿生無人系統(tǒng)是一類仿生物外形特征以及某些特定功能或行為（如模仿動物爬行、昆蟲飛行以及魚類潛水等）的無人系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外仿生無人系統(tǒng)的研究主要包括仿生機器人、仿生飛行器、仿生彈藥等方面［2］，并主要集中在結(jié)構(gòu)或運動形態(tài)仿生（如：水中仿生魚、多棲仿生昆蟲、空中仿生鳥等）和探測感知仿生（如：“蛇眼”制導(dǎo)系統(tǒng)、超寬帶仿生聲納系統(tǒng)等）基礎(chǔ)技術(shù)的研究上。

仿生彈藥是仿生無人系統(tǒng)的重要組成部分，通過模仿生物外形特征以及某些特定功能或行為能夠完成對敵目標(biāo)的毀傷或其它戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的仿生無人系統(tǒng)，與傳統(tǒng)彈藥相比，具有外形更隱蔽，運動更靈活，偵察更清晰，毀傷更精確等特點。仿生彈藥的內(nèi)涵主要包含以下三個方面：

1）形態(tài)仿生［3］。外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)架仿生的無人系統(tǒng)，這也是仿生無人系統(tǒng)的基本特征。

2）功能仿生［4］。功能特征（或部分功能特征）仿生彈藥，具有爬行、運動、蠕動、飛行、跳躍、自動蔽障、隱身等功能。

3）原理仿生。采用復(fù)眼探測、超聲定位、低雷諾數(shù)下機動飛行等生物原理的無人系統(tǒng)。

仿生彈藥按照不同的分類方法，可以分為不同的類型。常用的分類方法如下所示。

1）根據(jù)使用區(qū)域的不同，可以分為空中仿生彈藥、地面仿生彈藥、水中仿生彈藥和多棲仿生彈藥等。

2）根據(jù)投放方式的不同，可以分為機載型、艦載型、車載型以及人工布設(shè)型仿生彈藥。

3）根據(jù)仿生生物類型的不同，大體可以分為仿行走動物（仿人、仿犬、仿貓）、仿爬行動物、仿飛行動物（仿鳥、仿昆蟲）以及仿水中動物（仿魚、蝦、蟹）等仿生彈藥［5］。其中，仿鳥和仿飛行昆蟲的無人系統(tǒng)也稱為仿生撲翼飛行器，仿魚、蝦、蟹的無人系統(tǒng)也相應(yīng)稱為機器魚、機器蝦、機器蟹。

3 仿生彈藥研究現(xiàn)狀

2007年10月，美國空軍研究實驗室首次開始仿生彈藥的概念開發(fā)工作。2009年6月，美國空軍又明確提出了制造小型甚至微型的仿生彈藥，這些彈藥適用于復(fù)雜城區(qū)環(huán)境，并以“蜂群”協(xié)同方式使用。

根據(jù)2007年10月舉行的第33屆空軍航空武器研討會上美國空軍研究室彈藥處披露的微型彈藥，可以歸納出仿生彈藥具備如下能力：增強的彈藥靈活性；增強的態(tài)勢感知能力；增強的彈藥自主性；降低彈藥的可觀察性；在有限的空間內(nèi)使用；增強的目標(biāo)探測能力；極低的附帶毀傷能力。此外，凱斯西儲大學(xué)仿生機器人實驗室也在研究空陸兩棲變形飛行器，該微型彈藥具備一枚彈藥可以對付多個目標(biāo)；可針對不同目標(biāo)形成適當(dāng)?shù)臍Γ浑y以被探測到和被摧毀；具有多次部署能力；附帶毀傷極低等能力［6］。

目前，美國正在研制微小型仿生彈藥。明確了仿生武器概念發(fā)展的四個階段，如圖1所示。即作戰(zhàn)任務(wù)評估、偵察彈藥、功能致癱彈藥、協(xié)同作戰(zhàn)彈藥。

圖1 美國正在開展概念研究的仿生彈藥及基本概念

4 仿生彈藥的發(fā)展趨勢

仿生彈藥的產(chǎn)生，可以代替士兵完成一些特殊任務(wù)，這些任務(wù)甚至是士兵難以完成的，從而減少人員傷亡；仿生彈藥也可以作為補給支援作戰(zhàn)；隨著技術(shù)的成熟，仿生彈藥制作成本可以大幅度地降低，有效地提高武器的效費比，降低軍費的開支，如若用仿生彈藥對付敵方的常規(guī)武器，將導(dǎo)致戰(zhàn)場上出現(xiàn)“尺度不均衡戰(zhàn)爭”，使傳統(tǒng)武器作戰(zhàn)效能顯著降低。未來仿生彈藥的發(fā)展趨勢應(yīng)有幾下幾種特點。

1）結(jié)構(gòu)形態(tài)微小型化

當(dāng)仿生彈藥體積變小后，它易于隱蔽，反應(yīng)速度快，機動性好，生存能力強，這些優(yōu)點非常適應(yīng)未來惡劣環(huán)境下的局部戰(zhàn)爭，未來仿生彈藥甚至向納米級方向發(fā)展［7］。

2）從結(jié)構(gòu)仿生向功能仿生發(fā)展

研究生物獨特的功能，在感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，除去無關(guān)因素，并加以抽象，提出一個生物功能模型。用模型模擬生物功能。目的是研究生物體本身的特有功能［8］。

3）從單一使用向協(xié)同化使用發(fā)展

仿生彈藥由于體積小，攜帶彈藥量少，大量的仿生彈藥相互搭配協(xié)調(diào)一起作戰(zhàn)可以彌補不足，大大地提高彈藥的作戰(zhàn)效果。協(xié)同作戰(zhàn)是戰(zhàn)斗力提升的一種“力量倍增器”，研究多仿生彈藥的隊形設(shè)計，有利于節(jié)省個體運動中的能量消耗，增強運動安全。研究多仿生彈藥的協(xié)同指揮控制技術(shù)，如仿生彈藥的任務(wù)分解與協(xié)作機制建模技術(shù)、基于動態(tài)分組組網(wǎng)的移動智能體協(xié)同定位與目標(biāo)跟蹤技術(shù)、基于協(xié)商的多仿生彈藥分布式動態(tài)任務(wù)分配及任務(wù)協(xié)調(diào)等技術(shù)，對于實現(xiàn)仿生彈藥效能的最大化具有重要意義。

4）從遙控操作向自主智能化發(fā)展

未來仿生彈藥在執(zhí)行任務(wù)時，應(yīng)該能夠通過識別目標(biāo)的不同特征，進(jìn)行比較后確定最佳作戰(zhàn)方案，特別是在協(xié)同作戰(zhàn)時，作戰(zhàn)單位是一個群體，智能化的仿生彈藥能大大地提高作戰(zhàn)效果。

5）著眼實戰(zhàn)向模塊化方向發(fā)展

采用標(biāo)準(zhǔn)化方法，推進(jìn)仿生彈藥系統(tǒng)的通用化、系列化和模塊化［9］。采用標(biāo)準(zhǔn)化方法走裝備基本型派生發(fā)展的道路，一直是美軍多、快、好、省地發(fā)展新型裝備的重要政策。在頒布了總體規(guī)劃、確立了軍方需求之后即可制定標(biāo)準(zhǔn)，包括自主、使命負(fù)載、傳感器數(shù)據(jù)格式和通信等四個方面。目標(biāo)是向使命可重構(gòu)結(jié)構(gòu)發(fā)展，即具有可互換負(fù)載，只需更換傳感器或者加裝情報監(jiān)視偵察模塊，就可在許多不同任務(wù)中使用。由于工業(yè)部門熟知這些標(biāo)準(zhǔn)界面，可以集中模塊化負(fù)載的開發(fā)，著重為軍方提供核心自主、核心通訊、核心傳感器、核心任務(wù)載荷，而不再開展新型系統(tǒng)的設(shè)計。

目前仿生彈藥還處于研究階段，國外取得了一定的成果，從研究成果來看，仿生彈藥還有很多地方需要進(jìn)一步完善。地面仿生彈藥的使用范圍進(jìn)一步拓展、自主能力進(jìn)一步提高、協(xié)同作業(yè)能力繼續(xù)增強；空中仿生彈藥需要低成本化和小型化、單一系統(tǒng)自主智能化、集群使用協(xié)同化、使用方式更加靈活。

5 仿生彈藥若干關(guān)鍵問題

1）能源問題

仿生彈藥體積相對較小，意味著能夠攜帶的有效載荷越少，隨之帶來的問題是配用的電池或發(fā)動機更小，從而導(dǎo)致仿生無人協(xié)同的作用距離和時間越短且用途有限。通過編寫好的程序代碼，使用微型控制器等方式節(jié)約功耗，開發(fā)新能源延長仿生彈藥的使用壽命。

2）成本問題

為降低仿生彈藥的成本，國外盡可能采用商業(yè)現(xiàn)貨供應(yīng)的零件制造，包括小型攝像機、發(fā)動機和計算機等，以最終實現(xiàn)大量裝備。

3）安全問題

仿生彈藥通常采用商業(yè)現(xiàn)貨供應(yīng)的零件制造，易被干擾，可依靠隱身技術(shù)避免被偵查，并采用加固設(shè)計避免被干擾。

4）高性能傳感器問題

作為攻擊型武器使用的仿生無人系統(tǒng)，需要低成本的高質(zhì)量傳感器。國外主要利用“蜂群”技術(shù)協(xié)同使用，可降低對單一系統(tǒng)的性能要求，利用整體優(yōu)勢提高整體作戰(zhàn)效能，即使是在幾個系統(tǒng)丟失的情況下仍能完成作戰(zhàn)任務(wù)。

5）通信問題

仿生彈藥通信問題水上容易實現(xiàn)，目前相關(guān)技術(shù)比較成熟，但是水下通信是一大難點，海洋環(huán)境有其獨特的特點，由于海水的良好導(dǎo)電性，電磁波在海水中的傳播衰減很大。要想在海水中傳播較大的距離，就必須采用極低的頻率和很高的發(fā)射功率，要架設(shè)很高很長的天線，這是難以實現(xiàn)的。故水下通信一般采用聲波，由于聲波的吸收大體上與頻率的平方成正比，通信可用的帶寬很窄。又由于聲速很慢，傳播速度只有大約1500m／s，這給仿生武器水聲通信帶來很多困難［10］。

6）聯(lián)合作戰(zhàn)問題

美國2011版無人路線圖指出，無縫整合不同系統(tǒng)的能力，為聯(lián)合作戰(zhàn)提供靈活的選擇。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須解決“互操作性”、“自主性”等技術(shù)難題。

互操作是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的基本使能技術(shù)，是實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)和協(xié)同作戰(zhàn)的基本概念?；ゲ僮餍允菫榱藢崿F(xiàn)跨領(lǐng)域，包括空中、地面和海上，以及與有人系統(tǒng)的無縫操作。包含四層含義：執(zhí)行任務(wù)時協(xié)同行動的能力；利用和共享跨領(lǐng)域傳感器的信息來實現(xiàn)無縫的智慧、控制和通信；能夠接收數(shù)據(jù)、信息、素材和功能服務(wù)，并使得它們之間有效協(xié)作；能夠提供數(shù)據(jù)、信息、素材和功能服務(wù)給其他作戰(zhàn)單元。

自主性可以更高自主程度的技術(shù)和政策，減少決策回路時間。自主性不同于自動系統(tǒng)，自動系統(tǒng)是完全預(yù)先編程、重復(fù)作用、不受外界影響和控制的系統(tǒng)。而自主系統(tǒng)在沒有外部控制的條件下，朝著一個目標(biāo)進(jìn)行自導(dǎo)引，并且自身受到行為規(guī)則或策略的限制。能夠按照給定的一系列規(guī)則或限制實現(xiàn)行為決策。自動是實現(xiàn)自主的基礎(chǔ)之一，一個不能自動的系統(tǒng)根本不可能自主。

6 結(jié)語

縱觀歷史，許多新武器裝備的誕生都凝聚了許多人、甚至幾代人的基礎(chǔ)技術(shù)研究。2015年后，仿生彈藥將在陸、海、空、天武器裝備中得到廣泛的應(yīng)用，未來戰(zhàn)場上將出現(xiàn)越來越多的微小型仿生彈藥，其出現(xiàn)和使用將改變未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)模式，在人類戰(zhàn)爭史上具有劃時代的意義。誰先掌握仿生彈藥技術(shù)，誰將在未來戰(zhàn)爭中掌握主動權(quán)。

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