外骨骼装备在未来单兵系统中的应用前景

内容摘要：当前世界上很多国家为了应对新军事变革，都在制定和实施未来单兵系统的发展计划，以求抢占军事制高点，但由于这些系统融入了各种先进的军事装备，士兵的负重也大大增加，不利于任务的及时完成，外骨骼装备的出现及应用将改变这种局面。外骨骼装备既可以为士兵增强负重能力，也可以作为一个非常不错的武器搭载平台，通过集成多种先进武器装备使普通士兵成为一个强大的作战单元，同时无需考虑过多的负重对士兵的影响。外骨骼装备将在未来单兵系统中起到重要作用，具有广阔的应用前景。

关键词：单兵系统；外骨骼；应用前景

一、研究背景

当前世界上很多国家着眼于未来的战争需要，都在大力发展自己的未来单兵系统，目前著名的有美国的陆地勇士（Land Warrior）计划，如图1所示。俄罗斯的狼/士兵2000系统（Project-Wolf/Soldier2000）、法国的未来步兵（FELIN）和以色列的“阿诺格”计划（ProjectAnog），如图2所示。这些系统都集合了众多的先进技术装备，将单兵的作战能力与以前相比提高了很多，虽然采用了多种新型材料来减轻部分装备的重量，但是单兵的负载还是过重，不利于单兵的快速行进和任务的及时完成。对未来作战而言，城市中的巷战将成为主要的作战形式，各种重型武器将很难发挥作用，更多的军事任务将落在步兵的身上，而越来越多的单兵装备让普通士兵在行军时疲惫不堪，外骨骼装备的出现很好的解决了这个问题。

外骨骼实质上是一种可穿戴机器人^[1]，是一种可以让人穿戴的机械装置，它将人类的智力和机器人的“体力”结合在一起，依靠人的智力来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务^[2]。美国在这方面的研究走在了前列，五角大楼认为，未来单兵系统应当全面实现机械化和自动机器人化，并责成国防高级研究计划局负责，拨款5000万美元从事外骨骼机器人项目的研究，作为这个系统中的一部分，这种金属外骨骼可以让普通士兵在负重较大的情况下依然健步如飞，更重要的是它有望成为各种武器装备的支架，从而大幅度提升单兵的作战能力。近年来外骨骼机器人的研究开发已经成为机器人技术、机电工程、自动控制、生物工程以及人工智能等学科领域中一个新的研究热点^[3]，并在军事、科研、工业生产和日常生活中逐步得到了广泛的应用。

图1 美国的陆地勇士

图2 法国的未来士兵系统

二、研究现状

近年来代表性的研究成果主要有伯克利大学下肢外骨骼助力装置（BLEEX）系统，如图3所示。某公司XOS2外骨骼系统，如图4所示。某公司HULC系统，如图5所示。俄罗斯“某”系统，如图6所示。BLEEX系统虽然可以帮助士兵多负载32kg的重量^[4]，但还不是一个实用机械，它的体积过大，对使用者的动作有限制，致使应用环境受到限制，可靠性和自持能力还有待提高，因此作为军事用途还远远不能达到要求。XOS2骨骼系统是美国雷神公司研制的第二代外骨骼装置，由传感器、执行机构和控制器等组成，利用高压液压驱动。XOS2可使穿戴者将质量约90kg的重物反复举起几百次而不感到疲劳，其提供的动力还可使穿戴者重复击穿76mm厚的木板。

图3 BLEEX系统

图4 XOS2系统

但目前“XOS2”有一个重大缺陷，就是XOS2还要拖着一条电线才行，而自带的电池只能使用40min，所以很难与未来单兵系统相融合。某公司 HULC系统的最大负重量可以达到100kg以上，这些负重全部由背上的托盘承担，然后通过机械腿直接传递到地面，穿戴者几乎感觉不到任何重量。HULC系统配备了某公司的燃料电池，能够持续工作长达72h，在一次充满电后，HULC可保证穿着者以4.8km/h的速度背负90kg重物持续行进1个小时，而穿着外骨骼的奔跑冲刺速度可达到16km/h。目前，作为最接近实战需要的外骨骼装备，HULC系统已经少量的装备美军。作为美军现役的外骨骼装备，HULC系统是一个非常不错的平台，未来可以在这个平台上装备很多适合战场作战的单兵装备，而不需考虑过多的负重给士兵带来的影响。俄罗斯将在2015年前研制并装备的新式作战服“士兵—21”全称为“外骨骼机器人”，目标是全面提高士兵的作战能力。“勇士—21”系统包括金属腿、背包式外架和相应的动力设备，并配有活力攻击、控制、生命及能源保障等装备。这套装备与士兵身体的有效结合，帮助其承担95%的身体负重，以保证步兵在携带重物时仍能飞奔^[5]。

图5 HULC系统

图6 “勇士—21”系统

三、应用前景

外骨骼机器人是一个复杂的人机耦合的一体化系统^[6]，有着广泛的军事应用潜力。以上几个外骨骼装备都集成了控制、能量、结构、促动和生物机械学等方面的最新科技成就，它们的目标就是与未来单兵系统相结合，使普通士兵成为“超人”。凭借外骨骼可以让士兵有效减负的作用，武器系统可以直接安装在套装系统上，使士兵成为一个武器平台。在世界各国研制未来单兵系统的过程中，大力发展和应用外骨骼技术成为一种趋势。美国陆军正在开发一套集成纳米技术、外骨骼和流体身体护甲的未来单兵系统，其中外骨骼装备将承担这套系统的绝大部分重量。这种外骨骼装备由轻质复合设备组成，这些设备连接到士兵腿部来增强力量，整个外骨骼最多可将搬运能力提高300%，可以让体重为40多公斤的男性或女性将重100多公斤的男性或女性抱离或背离战场，而根本感觉不到有多少负重。如果外骨骼能够感应人体活动并对其及时做出反应，能够提供足够强大的能量源，将来自能量源的能量转换为可用的促动能量并辅助穿戴者开展活动，那么外骨骼装备将在未来的单兵系统中具有广阔的应用前景。

目前摆在开发者面前的挑战是巨大的，为了开发出这种外骨骼，新的设备和发明将不断涌现，未来的外骨骼系统将装备更加先进的软件、更加耐用的电池，采用使用度更广的设计，并和先进的武器装备相融合，使普通士兵成为可以在负重较多的情况下跳过较高物体和快速奔跑的超级战士。在不久的将来，飞行能力也将被集成到外骨骼装备中，从而使士兵的作战范围和能力超越传统的概念^[7]。可以想象，如果普通士兵穿上了已经融合各种先进武器的外骨骼装备，那么他们的战斗力将会多么恐怖。他们可以在负重更多的情况下，以更快速、更强大的火力投入战斗。同时，如果后勤保障部队装备了外骨骼，那么一个普通士兵就可以做到平时需要几个人才能搬运的炮弹等物资，大大的减少后勤补给时间和人员，从而极大的提高部队的作战能力。

随着科技的进步，外骨骼同样可以装备于航天方面，辅助宇航员进行空间活动。或许不久的以后，集合了各种先进技术的外骨骼就会像《钢铁侠》中的那套钢铁战衣一般，具有非凡的能量，可以让普通士兵成为像史塔克那样的超人。

四、总结

外骨骼作为可以改变士兵战场生存环境的一种新技术，或许因为它的出现，未来的战争形式将发生根本性的改变。目前外骨骼技术在国际上发展迅速，作为未来步兵的必备科技，各国都在加紧研究外骨骼技术，并将其和未来的单兵系统相融合，通过提高单兵作战能力从而提升整个部队的战斗力。虽然还有很多技术问题需要解决，但还是有广阔应用前景的。