可穿戴設(shè)備賦能單兵作戰(zhàn)

鄭鵬 黃天智 史云勝

4類可穿戴設(shè)備改變?nèi)祟惿?/h3>

可穿戴設(shè)備的形態(tài)豐富多樣，其可穿戴于人體的多個部位，常見有手環(huán)、手表、眼鏡等。按照穿戴部位不同，可穿戴設(shè)備分為頭頸類、上肢類、軀干類、下肢類等4大類。

頭頸類可穿戴設(shè)備，主要有虛擬現(xiàn)實(shí)（VR，Virtual geality）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR，Augmented Reality）類智能眼鏡。它可以將地圖、信息、照片、影音等內(nèi)容投影在鏡片上，同時還具有搜索、拍照、通話、定位導(dǎo)航等功能。用戶可通過語音或者手勢對設(shè)備進(jìn)行操控。其代表產(chǎn)品有谷歌公司的谷歌眼鏡和微軟公司的Hololens全息眼鏡。

上肢類可穿戴設(shè)備，主要有智能手環(huán)、智能手表等。除了傳統(tǒng)的時間顯示和鬧鐘提醒功能，這些設(shè)備還通過各類傳感器實(shí)時檢查使用者的心率、脈搏、步速、血氧等，從而獲得用戶運(yùn)動或睡眠時的身體數(shù)據(jù)。與手機(jī)連接后，還能進(jìn)行信息提醒顯示、地圖導(dǎo)航、手機(jī)應(yīng)用操作等。這類設(shè)備比較常見的有小米手環(huán)、蘋果iWatch、三星GalaxyWatch、華為Watch等。

軀干類可穿戴設(shè)備，主要有全身外骨骼和智能衣物等。它可以穿戴于人體軀干上，通過電子、機(jī)械、液壓等技術(shù)，輔助增強(qiáng)人體的機(jī)能或?qū)崿F(xiàn)某種特定功能。例如美國雷神公司的XOS全身外骨骼，它由各種復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器等組成，通過液壓驅(qū)動，可使穿戴者輕松舉起90kg的重物，還能擊穿76.2mm厚的木板。智能衣物主要是將小型傳感器、智能芯片等編織進(jìn)衣物，可以感應(yīng)周圍的環(huán)境并收集相關(guān)信息來實(shí)現(xiàn)特定的功能。2018年8月，美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)通過一種新型制造方法，成功將發(fā)光二極管和傳感器直接編織入紡織級聚合物纖維中。這種纖維非常柔韌，可以織成衣服面料，未來這些面料將用于通信、照明、生理監(jiān)測等。

微軟公司的Hololens全息眼鏡

下肢類可穿戴設(shè)備，常見有下肢外骨骼和智能鞋墊等。下肢外骨骼可以輔助增加穿戴者的下肢力量、分擔(dān)體力消耗，常見有幫助殘障人士的助行外骨骼。美國洛克希德·馬丁公司最新設(shè)計(jì)的Onyx下肢外骨骼系統(tǒng)，膝關(guān)節(jié)采用電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同運(yùn)動，能輔助膝關(guān)節(jié)屈伸來減少穿戴者下肢運(yùn)動時的能量消耗，增強(qiáng)人員的耐力。哥倫比亞一家設(shè)計(jì)公司發(fā)明的智能鞋墊Save OneLife，可通過感應(yīng)周圍大型金屬與其產(chǎn)生的電磁場來提醒士兵改變前進(jìn)路線。

谷歌眼鏡

智能手環(huán)

智能手表

可穿戴設(shè)備提升單兵綜合作戰(zhàn)能力

雖然當(dāng)前許多可穿戴技術(shù)仍處于研發(fā)初期，尚未成熟，但其在軍事領(lǐng)域的廣闊前景已形成廣泛共識。裝備可穿戴設(shè)備的智能士兵可強(qiáng)化信息交互，增強(qiáng)特定能力，更加符合未來信息化戰(zhàn)爭的需要，世界各國均投入大量財力物力發(fā)展軍用可穿戴裝備，形成了智能頭盔、外骨骼系統(tǒng)、智能作戰(zhàn)服等系列化軍用裝備，可大大增強(qiáng)單兵的綜合作戰(zhàn)能力。

智能鞋墊SaveOne Life

可穿戴設(shè)備能夠增強(qiáng)士兵的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力

可穿戴裝備對單兵作戰(zhàn)能力的提升表現(xiàn)在以下幾個方面。

通過信息無縫交互提高單兵態(tài)勢感知能力

美國雷神公司的XOS全身外骨骼

下肢外骨骼系統(tǒng)

在未來復(fù)雜的數(shù)字化戰(zhàn)場中，態(tài)勢感知將成為決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵?？纱┐髟O(shè)備的使用將極大地增強(qiáng)單兵的態(tài)勢感知能力。穿用可穿戴裝備的士兵可以在觀察戰(zhàn)場的同時，獲得行動路線、友鄰位置、敵方部署等戰(zhàn)場信息，幫助其更加快速準(zhǔn)確地做出決策和響應(yīng)。

美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)將發(fā)光二極管和傳感器直接編織入紡織級聚合物纖維中

通過身體狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測提高單兵戰(zhàn)場生存能力

智能作戰(zhàn)服、手環(huán)等設(shè)備可實(shí)時監(jiān)測士兵的生理指標(biāo)，為指揮員評估其戰(zhàn)場狀態(tài)提供幫助，并使士兵得到及時救治。當(dāng)士兵負(fù)傷時，他的生命體征和位置信息將發(fā)送給戰(zhàn)場醫(yī)務(wù)人員，傷員能夠得到及時救助，從而提高戰(zhàn)場生存能力。

通過機(jī)能輔助增強(qiáng)提高單兵機(jī)動行軍能力

在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下，士兵遂行的行動任務(wù)增多，需要攜帶的裝備和物資也相應(yīng)增多，負(fù)荷越來越重，體能消耗大大增加，嚴(yán)重影響著士兵的行軍速度、機(jī)動靈活性和持續(xù)作戰(zhàn)能力。通過穿戴外骨骼系統(tǒng)和智能作戰(zhàn)服，可以輔助增強(qiáng)人體的生理機(jī)能，減少代謝消耗，提高士兵負(fù)重能力，延長持久機(jī)動能力并提高機(jī)動速度。

通過威脅探測預(yù)警提高單兵戰(zhàn)場防護(hù)能力

戰(zhàn)場環(huán)境惡劣復(fù)雜，各種危險時刻威脅著戰(zhàn)士的生命。除敵方火力打擊這種可見的威脅外，還有狙擊手、地雷、核輻射、生化武器等隱匿的危險。規(guī)避這些威脅，可穿戴設(shè)備能夠發(fā)揮積極的作用。未來戰(zhàn)場上，戰(zhàn)士通過穿戴探測狙擊手位置的背負(fù)式反狙擊手探測裝置、感知爆炸物的智能鞋墊、自動預(yù)警核生化威脅的生物傳感器等便攜式可穿戴設(shè)備，能夠提前對周圍的威脅源進(jìn)行感知預(yù)警，相應(yīng)地采取規(guī)避措施，從而有效提高單兵的主動防護(hù)能力。

軍事應(yīng)用之路任重而道遠(yuǎn)

可穿戴設(shè)備在民用領(lǐng)域已有很多成熟產(chǎn)品，但在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于萌芽階段。主要原因是軍事應(yīng)用對可穿戴設(shè)備的可靠性、魯棒性、安全性等要求更加嚴(yán)苛。

當(dāng)前可穿戴設(shè)備相關(guān)技術(shù)還有不少問題亟待解決——

系統(tǒng)質(zhì)量問題

受技術(shù)現(xiàn)狀和成熟度的限制，當(dāng)前軍用可穿戴設(shè)備的質(zhì)量解決還不成熟，給使用者帶來的體驗(yàn)并不理想。尤其是頭頸類的可穿戴裝備，由于質(zhì)量過重，士兵極易產(chǎn)生壓迫感和疲勞感，影響作戰(zhàn)行動有效進(jìn)行。針對這個問題，一方面可以尋求材料方面的突破，找到一種更加輕盈，同時足夠結(jié)實(shí)耐用的新型材料來降低可穿戴設(shè)備的系統(tǒng)質(zhì)量。另一方面，需要持續(xù)大力推動集成化和微型化技術(shù)攻關(guān)，采用先進(jìn)的封裝技術(shù)，通過系統(tǒng)級封裝微型化技術(shù)，將元件整合到極小的單一封裝中，以簡化電路板設(shè)計(jì)和小型化裝備設(shè)計(jì)，努力減小系統(tǒng)整體質(zhì)量，爭取達(dá)到可“忽視存在”的效果。

新型輕質(zhì)材料的使用可有效減小可穿戴設(shè)備的質(zhì)量

續(xù)航時間問題

為了更好地實(shí)現(xiàn)其功能，可穿戴設(shè)備需增加更多更強(qiáng)的傳感器、控制器等電子元件，設(shè)備功率需求也隨之增加。另外，實(shí)時監(jiān)測和隨時響應(yīng)的工作機(jī)制也使得可穿戴設(shè)備的功耗高于其他設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備效能的發(fā)揮高度依賴電源支持，電能耗盡后即成為負(fù)擔(dān)。而在激烈對抗的實(shí)際戰(zhàn)場中，士兵完成戰(zhàn)斗任務(wù)時很難得到額外的電源支持。因此，續(xù)航時間問題是制約可穿戴設(shè)備在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。破解這個問題，一是需要進(jìn)一步優(yōu)化電源管理，同時發(fā)展低功耗器件，盡可能降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗。二是迫切需要找到更高能量密度，同時更可靠、更安全的電池技術(shù)。就目前已知的電池類型來看，擁有最高能量密度的鋰氟化碳電池具有較好的發(fā)展前景。2018年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室通過使用固態(tài)電解質(zhì)成功增加鋰氟化碳電池容量，實(shí)現(xiàn)了超大電量的可能。三是進(jìn)一步提高環(huán)境發(fā)電的轉(zhuǎn)化效率。高效太陽能發(fā)電、人體運(yùn)動微發(fā)電、體溫感應(yīng)微發(fā)電、血液微發(fā)電等技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，可以直接為可穿戴設(shè)備提供不問斷的能源供給，解決續(xù)航時長問題。

人機(jī)適應(yīng)性問題

可穿戴設(shè)備是人機(jī)緊耦合設(shè)備，其對人機(jī)協(xié)調(diào)性、穿戴舒適性有較高的要求。目前可穿戴設(shè)備在軍事上的應(yīng)用仍處在基礎(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)階段。如何在增強(qiáng)士兵機(jī)能的同時不影響士兵的靈活性，如何在額外增加設(shè)備的同時不影響士兵對武器的操控等人機(jī)適應(yīng)性問題，還需要不斷探索與改進(jìn)。在穿戴舒適性方面，柔性器件的發(fā)展研究應(yīng)在可穿戴設(shè)備后續(xù)發(fā)展中得到更多重視，使得產(chǎn)品更加柔軟舒適、更加貼合人體，最終達(dá)到與士兵身體的完美結(jié)合。在操作便捷性方面，設(shè)計(jì)過程中將對人機(jī)工效給予更加充分考慮，隨著手勢控制、語音控制等技術(shù)更加成熟，以及肌電、腦電等新型控制技術(shù)的不斷發(fā)展，士兵的雙手將被真正解放出來，可穿戴設(shè)備的人機(jī)交互方式變得更加多元與友好。

可穿戴設(shè)備需要更加高效的能源

利用腦電控制無人裝備

操作系統(tǒng)問題

操作系統(tǒng)作為可穿戴設(shè)備的大腦，是設(shè)備的基礎(chǔ)核心，它的性能直接決定著設(shè)備的優(yōu)劣。與電腦、手機(jī)等設(shè)備相比，可穿戴設(shè)備需要更加簡潔高效的操作系統(tǒng)。目前常見的可穿戴設(shè)備操作系統(tǒng)主要有VxWorks、μClinux等實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS），以及定制裁減版Android、Android Wear等Android系統(tǒng)，還有三星的Tizen系統(tǒng)和蘋果的IOSWear系統(tǒng)。這4類操作系統(tǒng)均具有一定的成熟度，使用方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，民用可穿戴設(shè)備可以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行自由選擇。但是作為軍事應(yīng)用，對可穿戴設(shè)備有著特殊的要求。操作系統(tǒng)作為其核心關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)該采用國產(chǎn)系統(tǒng)，做到自主可控。由于這類操作系統(tǒng)技術(shù)難度高、需求量小等原因，國內(nèi)的科技公司在該領(lǐng)域鮮有建樹，這也是我國可穿戴設(shè)備軍事應(yīng)用所面臨的最大問題之一。當(dāng)前，實(shí)際得到應(yīng)用的國產(chǎn)可穿戴設(shè)備只有華為的Liteos操作系統(tǒng)。未來應(yīng)不斷加大對國產(chǎn)操作系統(tǒng)開發(fā)的資金投入，盡快研發(fā)出更多更好用的國產(chǎn)操作系統(tǒng)。

華為LiteOS是用于可穿戴設(shè)備的國產(chǎn)操作系統(tǒng)

傳感器問題

傳感器是可穿戴設(shè)備的觸角，也是其智能化的基礎(chǔ)。軍用可穿戴設(shè)備對傳感器的需求主要為運(yùn)動傳感、生物傳感和環(huán)境傳感等。運(yùn)動傳感技術(shù)包括加速度傳感器、陀螺儀、電磁傳感器、大氣傳感器等，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動探測、導(dǎo)航、人機(jī)交互功能，進(jìn)而達(dá)到測量、記錄和分析人體活動的效果。生物傳感技術(shù)主要采用血壓傳感器、心電傳感器、肌電傳感器、體溫傳感器、腦電波傳感器，實(shí)現(xiàn)人體生理機(jī)能參數(shù)測定、評估士兵作戰(zhàn)狀態(tài)，為支援保障提供數(shù)據(jù)支撐。環(huán)境傳感技術(shù)主要采用溫濕度傳感器、氣壓傳感器、紫外線傳感器、麥克風(fēng)、圖像視頻采集設(shè)備等，對戰(zhàn)場環(huán)境實(shí)時感知。隨著技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，可穿戴設(shè)備的智能化要求越來越高，需要獲得的數(shù)據(jù)也會越來越多，這就需要更多傳感器，同時對傳感器的測量精度和穩(wěn)定性也提出了更高的要求。民用可穿戴設(shè)備的傳感器測量失誤也許僅僅給使用者一個不正確的運(yùn)動建議，作為輔助功能來說影響并不大，但在軍事領(lǐng)域，出現(xiàn)這樣的錯誤可能會引起災(zāi)難性的后果。因此，在軍事應(yīng)用中傳感器的精度和穩(wěn)定性必須得到足夠的重視，使其能夠在高度惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中準(zhǔn)確可靠地感知使用者的狀態(tài)和周邊環(huán)境情況，為戰(zhàn)場決策提供有效的幫助。

一種可貼在身體表面的柔性傳感器

數(shù)據(jù)安全問題必須得到足夠重視

數(shù)據(jù)交流通信問題

隨著可穿戴設(shè)備功能的日漸強(qiáng)大，復(fù)雜的設(shè)備可能由多個功能組件構(gòu)成，各組件之間必須建立可靠的數(shù)據(jù)交流通道。另外，可穿戴設(shè)備不會獨(dú)立地存在，為了實(shí)現(xiàn)其潛能，必須采用某種方式接入更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中，以便與其他設(shè)備進(jìn)行交互。因此，設(shè)備內(nèi)部組件之間、設(shè)備與設(shè)備之間如何進(jìn)行快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換，如何避免連接線纜對士兵運(yùn)動的干擾等亦是可穿戴設(shè)備軍事應(yīng)用需要面對的重要問題。針對這一問題，采用柔性材料將電子線路編織到衣物中和采用短距無線實(shí)時傳輸技術(shù)是目前比較主流的兩種解決方案。智能編織物的方案可以較好解決設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)交流通信的問題，對于不同設(shè)備之間的交流通信，采用短距無線實(shí)時傳輸技術(shù)的方案則更加可行。該方案圍繞單兵構(gòu)建了無線傳輸身體網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)可穿戴設(shè)備之間的無線實(shí)時傳輸功能，有效降低線纜連接的復(fù)雜度，減小對士兵戰(zhàn)術(shù)動作的影響。

數(shù)據(jù)安全問題

軍用可穿戴設(shè)備的應(yīng)用將會成為指揮網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，必須保證其數(shù)據(jù)安全。一方面需對其數(shù)據(jù)采用必要的加密手段，降低信息被盜取或冒用的風(fēng)險。另一方面，由于可穿戴設(shè)備本身的便攜屬性，必須考慮設(shè)備遺失后的安全保密問題。設(shè)備在使用時應(yīng)具有身份認(rèn)證環(huán)節(jié)，必要時可采用人體生理特征進(jìn)行認(rèn)證。當(dāng)認(rèn)定用戶非法時，設(shè)備應(yīng)被拒絕入網(wǎng)，能夠自行鎖定并銷毀數(shù)據(jù)，防止設(shè)備泄密。

隨著科技的不斷發(fā)展，以及制造工藝的日益進(jìn)步，可穿戴設(shè)備在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景會更加廣闊。應(yīng)用可穿戴設(shè)備的戰(zhàn)士將由普通士兵轉(zhuǎn)變成信息時代的“智兵”，其戰(zhàn)場感知能力、機(jī)動能力、防護(hù)能力與生存能力都將得到巨大提升。同時，每名士兵就像一個個信息的“觸角”，將戰(zhàn)場信息及時反饋給上級指揮員，為分析和把握戰(zhàn)場態(tài)勢、做出指揮決策等提供技術(shù)支撐。

可穿戴設(shè)備將成為單兵作戰(zhàn)能力的“倍增器”，勢必會在未來數(shù)字化戰(zhàn)場中發(fā)揮更重要的作用。

編輯/高燕燕

構(gòu)建短距無線通信網(wǎng)絡(luò)成為未來可穿戴設(shè)備通信的主流