美軍智能作戰(zhàn)服“勇士織衣”

衛(wèi)錦萍

隨著士兵的生存力日益被重視，發(fā)展具有多種功能的作戰(zhàn)服已成為士兵裝備技術(shù)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。為保護(hù)負(fù)重士兵，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局正在牽頭研制“勇士織衣”（Warrior Web）智能作戰(zhàn)服。它是一種內(nèi)穿型作戰(zhàn)服，重量輕、柔韌性好，能自動(dòng)變硬或變軟以避免士兵受傷，同時(shí)可增強(qiáng)士兵肌肉機(jī)能以減小作用在身體上的負(fù)荷，從而減少長時(shí)間負(fù)重、在崎嶇地形行軍的疲勞損耗。該作戰(zhàn)服功率小于100瓦，不到9千克重，電池重約4.5千克，在不充電情況下可持續(xù)工作24小時(shí)，士兵背負(fù)45千克重物、以1.25米/秒速度在平地行走時(shí)，可以減少25%代謝消耗。目前“勇士織衣”已制成樣服，進(jìn)行了兩輪測(cè)試評(píng)估。

現(xiàn)在士兵背負(fù)的裝備越來越重，一般要背負(fù)45千克重物巡邏或行軍，這些負(fù)重不僅會(huì)增加士兵關(guān)節(jié)（如膝蓋、腳踝、脊柱和髖關(guān)節(jié)等）和軟組織受傷的危險(xiǎn)，而且還會(huì)加大士兵的體能消耗，以及受傷的幾率，降低作戰(zhàn)效能。為此，2011年9月，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局投資“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服科研項(xiàng)目，由其下屬的國防科學(xué)辦公室負(fù)責(zé)管理，通過招標(biāo)方式研發(fā)。

按最初計(jì)劃，“勇士織衣”項(xiàng)目（總進(jìn)度為2011～2016財(cái)年）分兩個(gè)任務(wù)階段：2012財(cái)年第3季度～2015財(cái)年第1季度是任務(wù)A階段，共投資2 400萬美元，重點(diǎn)研究和評(píng)估多項(xiàng)核心部件技術(shù)，以減小士兵負(fù)重、降低士兵體力損耗、穩(wěn)定關(guān)節(jié)，使士兵背負(fù)重物時(shí)仍能正常行走；2013財(cái)年第4季度～2016財(cái)年第4季度為任務(wù)B階段，投資2 200萬美元，將第一階段的核心部件嵌入內(nèi)穿型作戰(zhàn)服系統(tǒng)及其后續(xù)產(chǎn)品，在作戰(zhàn)環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。

經(jīng)過4年多的研發(fā)，“勇士織衣”作戰(zhàn)服項(xiàng)目已完成任務(wù)A，2013年進(jìn)入任務(wù)B階段，與此同時(shí)，美軍還評(píng)估了采用仿生技術(shù)的柔性外骨骼樣衣。

在任務(wù)A階段，“勇士織衣”項(xiàng)目推出了三種部件樣服，分別由國防高級(jí)研究計(jì)劃局、哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所（樣服又稱“智能服”）、波士頓動(dòng)力公司研制。陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和納蒂克士兵中心參與了國防高級(jí)研究計(jì)劃局的研究工作，特拉華大學(xué)開展了先進(jìn)材料研究工作，斯坦福大學(xué)開展了生物力學(xué)模型的建模工作等。現(xiàn)已研制成功多個(gè)核心部件（技術(shù)），主要是減輕士兵負(fù)重、降低士兵體能損耗、穩(wěn)定關(guān)節(jié)，同時(shí)演示了踝部、膝部和髖部等單個(gè)關(guān)節(jié)的控制模式，但還沒有對(duì)可穿戴系統(tǒng)的多關(guān)節(jié)控制模式進(jìn)行評(píng)估。

任務(wù)B的重點(diǎn)是進(jìn)行系統(tǒng)集成。2013年8月，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局向工業(yè)界招標(biāo)，分為兩個(gè)階段施行：第一階段開展基礎(chǔ)研究，包括單個(gè)技術(shù)方案和多個(gè)技術(shù)方案；第二階段開展備選研究項(xiàng)目。每個(gè)階段研究時(shí)間為15個(gè)月，在繼續(xù)研發(fā)部件技術(shù)的同時(shí)，重點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)集成，并開展生物力學(xué)建模和仿真、測(cè)試和評(píng)估等研究工作。

正在研制的柔性外骨骼可能會(huì)集成到“勇士織衣”項(xiàng)目中。2014年9月，國防高級(jí)研究計(jì)劃局與哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所簽訂了一份價(jià)值290萬美元的合同，研制柔性外骨骼，并進(jìn)行概念演示驗(yàn)證。因?yàn)樽?012年以來，哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所一直致力于研制仿生智能服，采用新方案來增強(qiáng)士兵人體效能。這種仿生智能服采用大量織帶，內(nèi)置低功耗微處理器和柔性應(yīng)變傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過模仿人體腿部肌肉和肌腱的動(dòng)作，降低士兵肌肉損傷的風(fēng)險(xiǎn)。他們?cè)O(shè)計(jì)了臀部和踝部兩種不同的柔性外骨骼，開展試驗(yàn)研究。研究團(tuán)隊(duì)還研制了與小型發(fā)動(dòng)機(jī)交互的纜線和滑輪，在不影響穿戴者自由活動(dòng)能力的前提下為其提供助力。

美軍在阿伯丁試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)“勇士織衣”樣服進(jìn)行了兩輪測(cè)試評(píng)估。2013年上半年，美國陸軍進(jìn)行的是為期5個(gè)月的首輪測(cè)試評(píng)估，測(cè)試中身穿“勇士織衣”作戰(zhàn)服的士兵背負(fù)27.7千克重物仍能正常行走。目前正在對(duì)“勇士織衣”項(xiàng)目下研制的未來柔性外骨骼樣衣進(jìn)行評(píng)估。從2014年10月進(jìn)行的第二輪評(píng)估看，“勇士織衣”研制進(jìn)展很快，已解決了2013年首輪評(píng)估中發(fā)現(xiàn)的舒適度和適配性等問題，系統(tǒng)功能變得更強(qiáng)大，不久將開展野外測(cè)試。

“勇士織衣”作戰(zhàn)服任務(wù)A和任務(wù)B的研究各有側(cè)重：任務(wù)A，即“阿爾法勇士織衣”，主要研究領(lǐng)域是損傷減輕、綜合分析表征、再生動(dòng)力學(xué)、自適應(yīng)感知與控制以及作戰(zhàn)服“人-穿戴者”接口等。任務(wù)B，即“博悅勇士織衣”，主要研究領(lǐng)域是先進(jìn)控制、“技術(shù)-人員”接口與感知；損傷減輕和預(yù)防；人體機(jī)能增強(qiáng)；附加的輔助可穿戴技術(shù)等五大技術(shù)，涉及機(jī)械原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)、生物力學(xué)、再生動(dòng)力學(xué)、能量學(xué)、信息學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，也將面臨如下技術(shù)挑戰(zhàn)。

先進(jìn)控制技術(shù)，重點(diǎn)研究先進(jìn)控制模式，使可穿戴技術(shù)用于多個(gè)關(guān)節(jié)，如下肢系統(tǒng)采用集中控制器，使膝部和踝部關(guān)節(jié)致動(dòng)。任務(wù)A已經(jīng)演示了踝部、膝部和髖部等單個(gè)關(guān)節(jié)的控制模式，但迄今尚未評(píng)估可穿戴系統(tǒng)的多關(guān)節(jié)控制模式。

“技術(shù)-人員”接口與感知技術(shù)，主要研究與保形及可穿戴技術(shù)相關(guān)的織物材料、結(jié)構(gòu)、傳感器、傳感器接口和個(gè)體因素等；非侵入性生理感知?jiǎng)t涉及生物感知、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等。

損傷減輕與預(yù)防技術(shù)，是為了減輕穿戴者因背負(fù)重物長時(shí)間行走或跑動(dòng)而引起的肌肉骨骼損傷，主要研究運(yùn)動(dòng)中通過機(jī)械或從結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生緩沖效果，維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定；提供肌肉主動(dòng)刺激，以保護(hù)關(guān)節(jié)和軟組織；通過產(chǎn)生反向力，使關(guān)節(jié)有效抵御那些超過其支撐能力或極限的外力等。目前還沒有明確開發(fā)減輕因爆炸、運(yùn)動(dòng)或心理反應(yīng)等因素引起的損傷技術(shù)。

人體機(jī)能增強(qiáng)技術(shù)，能提高士兵在跑動(dòng)、提舉、攀爬、負(fù)重、射擊等過程中的體能和耐力。研究集中在提高士兵負(fù)重或非負(fù)重狀態(tài)下的跑步速度；減少人體代謝消耗；增強(qiáng)士兵提舉能力；通過耐力訓(xùn)練，提升士兵射擊技能或認(rèn)知任務(wù)效能等方面。

生物力學(xué)建模與仿真，是對(duì)可穿戴系統(tǒng)的效能進(jìn)行預(yù)測(cè)。人機(jī)建模將由斯坦福大學(xué)應(yīng)用其生物力學(xué)模型軟件，以人體生理學(xué)為基礎(chǔ)（任務(wù)A已開發(fā)了一種開源生物力學(xué)建模環(huán)境），預(yù)測(cè)“勇士織衣”作戰(zhàn)服的效能，包括在負(fù)重或非負(fù)重狀態(tài)下，士兵行走、跑步或完成其它任務(wù)中的損傷減輕、能量學(xué)和力學(xué)等。

一是負(fù)重智能分布于士兵全身，以減小作用力?！坝率靠椧隆鄙厦娌紳M了小型傳感器、功能結(jié)構(gòu)件和致動(dòng)器，使負(fù)重智能分布于士兵全身，從而減小負(fù)重對(duì)士兵的作用力。

二是減輕和預(yù)防士兵損傷，增強(qiáng)體能?！坝率靠椧隆敝铝τ谘邪l(fā)多種可穿戴在士兵踝部、臀部、膝部和上身的核心部件/技術(shù)，在需要時(shí)自動(dòng)變硬或變松軟，以減輕穿戴者因背負(fù)重物長時(shí)間行走或跑動(dòng)而引起的肌肉骨骼損傷，減少人體代謝消耗，增強(qiáng)人體機(jī)能，有效地提高士兵負(fù)重能力。

三是重復(fù)使用能量，以降低能耗?！坝率靠椧隆辈捎帽粍?dòng)和主動(dòng)控制技術(shù)，通過激發(fā)人體肌肉、肌腱和骨骼功能，利用與主動(dòng)部件串聯(lián)和并聯(lián)的彈性元件儲(chǔ)存和釋放能量，并合理利用能量，以降低能耗，同時(shí)還能為電池蓄電。

四是柔韌性和靈活性好，輕便舒適耐用?！坝率靠椧隆眱?nèi)穿型智能作戰(zhàn)服采用先進(jìn)的防彈材料制成，柔韌性和靈活性好，重量輕，而且舒適耐用。它還能與現(xiàn)有士兵作戰(zhàn)服和裝備兼容，可供美國陸軍90%士兵使用。

隨著“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服、數(shù)字化士兵系統(tǒng)和一體化外骨骼的裝備使用，將使未來士兵具備網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)能力、超強(qiáng)的負(fù)重與機(jī)動(dòng)能力，徹底改變步兵傳統(tǒng)的單打獨(dú)斗的作戰(zhàn)模式，成為真正的“超人”。美軍“奈特勇士”士兵系統(tǒng)的作戰(zhàn)服集防彈衣、微氣候制冷系統(tǒng)和生化防護(hù)服為一體，既能防彈，又能減小爆炸沖擊波對(duì)士兵的傷害，還能為士兵提供生化戰(zhàn)劑保護(hù)，是智能化作戰(zhàn)服的“雛形”?！坝率靠椧隆弊鲬?zhàn)服既不同于傳統(tǒng)的防彈衣，也不同于“奈特勇士”系統(tǒng)的外穿型作戰(zhàn)服，它更像是肌肉、關(guān)節(jié)的感應(yīng)“增強(qiáng)器”，不僅具有傳統(tǒng)的防彈功能，還能增強(qiáng)人體機(jī)能，使士兵背負(fù)重物長時(shí)間行軍。將來作戰(zhàn)服還會(huì)織入光纖絲線，將受傷士兵的傷情實(shí)時(shí)傳送給醫(yī)療救護(hù)中心，為士兵提供遠(yuǎn)程救護(hù)，甚至能融入四周環(huán)境，使士兵成為“變色龍”。

“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服不僅能提高士兵的作戰(zhàn)效能，還能保障士兵的健康安全。這是對(duì)生命的尊重，也是作戰(zhàn)服發(fā)展的革命性進(jìn)步。