陸軍“超能勇士”單兵外骨骼挑戰(zhàn)賽掠影。榮璇 胡靈 攝

在慶祝中華人民共和國成立70周年閱兵式上，裝備方隊(duì)隊(duì)員佩戴的單兵綜合系統(tǒng)一經(jīng)亮相，網(wǎng)友和軍迷們便興奮不已。

網(wǎng)上余溫未散，網(wǎng)下戰(zhàn)鼓喧天。深秋的北京，陸軍“超能勇士”單兵外骨骼挑戰(zhàn)賽精彩上演。筆者在現(xiàn)場看到，負(fù)重45公斤的士兵在各種復(fù)雜地形上疾步如飛、不知疲倦，3米高墻輕松攀爬，3米壕溝連續(xù)跨越，近50公斤的炮彈被輕而易舉地裝填……

穿戴單兵綜合系統(tǒng)和外骨骼系統(tǒng)的士兵，似乎都擁有了超能力，就像《流浪地球》《鋼鐵俠》等科幻電影中的機(jī)甲戰(zhàn)士一樣。

此次挑戰(zhàn)賽由陸軍裝備部主辦。經(jīng)過先期分賽區(qū)篩選，共有25個(gè)單位、29支隊(duì)伍、50余臺樣機(jī)入圍決賽，圍繞輕裝機(jī)動(dòng)、負(fù)重行軍、物資搬運(yùn)、彈藥裝填等7個(gè)項(xiàng)目展開角逐。

聚焦實(shí)戰(zhàn) 角逐激烈

某項(xiàng)目組的一位負(fù)責(zé)人指著任務(wù)背景類競賽的起伏路線和城市巷道向筆者介紹：“未來戰(zhàn)爭需要什么樣的裝備，我們就研發(fā)什么樣的裝備；未來戰(zhàn)場是什么樣的形態(tài)，我們就設(shè)置什么樣的考核項(xiàng)目……”

誠如斯言，此次競賽任務(wù)背景類的輕裝機(jī)動(dòng)、負(fù)重行軍、物資搬運(yùn)和彈藥裝填4個(gè)比賽項(xiàng)目，均設(shè)置了實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用背景。

輕裝機(jī)動(dòng)和負(fù)重行軍項(xiàng)目，以單兵在復(fù)雜地形條件下的敵后作戰(zhàn)、快速穿插、物資前送等為背景。負(fù)重行軍除了考驗(yàn)單兵負(fù)荷45公斤疾行3公里的能力外，還增設(shè)模擬戰(zhàn)場背負(fù)傷員轉(zhuǎn)移能力考核。測試組負(fù)責(zé)人告訴筆者：“項(xiàng)目內(nèi)容及評分標(biāo)準(zhǔn)制訂，充分研究借鑒了近年來幾場局部戰(zhàn)爭外軍長距離、大負(fù)荷機(jī)動(dòng)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，遵循了戰(zhàn)傷救治‘白金10分鐘’的規(guī)律，同時(shí)調(diào)研了部隊(duì)在高原山地環(huán)境下行進(jìn)速度受坡度影響等問題�！�

有專家指出，要解決好負(fù)重行軍的技術(shù)難題，關(guān)鍵在高效力學(xué)傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其優(yōu)劣直接影響可穿戴外骨骼各系統(tǒng)功能。參賽隊(duì)之一“超級戰(zhàn)士隊(duì)”設(shè)計(jì)的可穿戴外骨骼結(jié)構(gòu)，采用仿生學(xué)設(shè)計(jì)，與人體匹配程度高，可根據(jù)個(gè)人身高進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。測試中，受試者負(fù)重感輕、行軍速度快、體能消耗低、轉(zhuǎn)移傷員效率高，頗受評委的青睞。

在物資搬運(yùn)項(xiàng)目競賽中，筆者發(fā)現(xiàn)，參賽樣機(jī)種類不一、結(jié)構(gòu)多樣，有的線路雖復(fù)雜但操作起來異常便捷；有的看起來笨重但足以使單兵疾步如飛；有的就幾塊穿戴式貼片卻能使人“舉重若輕”。帶著疑問，筆者仔細(xì)詢問專家，得知其中奧秘：這些復(fù)雜線路，能將電機(jī)動(dòng)力傳遞至全身各個(gè)關(guān)節(jié)；這些看似笨重但行動(dòng)便捷的外骨骼，屬于剛性外骨骼，是一種仿人體骨骼的動(dòng)力裝置，兼具負(fù)載和搬移托舉功能，能夠增強(qiáng)人的骨骼和關(guān)節(jié)力量，實(shí)現(xiàn)力的傳遞；這些穿戴式貼片，叫柔性外骨骼，是一種仿人體肌肉的壓力釋放裝置，可以通過計(jì)算控制，增強(qiáng)人的肌肉力量，分散身體的壓力。

競賽現(xiàn)場，氣動(dòng)外骨骼和無動(dòng)力外骨骼為兩個(gè)搬運(yùn)彈藥箱的戰(zhàn)士提供助力�！熬烤鼓目罡�能提高搬運(yùn)效率呢？”所有人都拭目以待。據(jù)專家介紹，氣動(dòng)外骨骼是在人體提升重物的瞬間，向上提供一個(gè)沖力，有效增加作業(yè)者腰背部的最大肌力峰值；無動(dòng)力外骨骼則是巧妙利用前置掛鉤的力轉(zhuǎn)移原理和彈性儲能器件節(jié)能原理，將背部壓力轉(zhuǎn)化為提升力量。競賽過程中，兩種外骨骼各有千秋，體驗(yàn)過的戰(zhàn)士說，用上外骨骼后感覺力大無比，完成任務(wù)輕松自如。

在彈藥裝填競賽項(xiàng)目中，雖然都是依靠上肢外骨骼力量，但與氣動(dòng)和無動(dòng)力外骨骼不同，來自“中兵勇士隊(duì)”的托舉型外骨骼樣機(jī)，能夠針對人體上肢動(dòng)作進(jìn)行自由度匹配和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對人體大臂、小臂的自由跟隨，并由高功率密度電機(jī)加強(qiáng)肘關(guān)節(jié)力矩，有效減輕了托舉動(dòng)作的負(fù)重感。

技術(shù)引領(lǐng) 無限可能

人們最早設(shè)計(jì)外骨骼的目的，是輔助增強(qiáng)單兵自身的承載和搬運(yùn)力量，讓單兵在崎嶇山地、茂密叢林等復(fù)雜地形上，能夠負(fù)重更多、走得更快、耐力更強(qiáng)。

近年來，世界主要軍事強(qiáng)國相繼推出涵蓋作戰(zhàn)、偵察、通信、防護(hù)等要素的士兵系統(tǒng)，徹底突破了傳統(tǒng)單兵裝備的概念。隨著需求推動(dòng)特別是技術(shù)的進(jìn)步，形態(tài)各異、功能多樣的外骨骼不斷問世，從剛性外骨骼到柔性外骨骼，從有動(dòng)力外骨骼到無動(dòng)力外骨骼，從下肢外骨骼、全身外骨骼到單關(guān)節(jié)外骨骼，各類樣機(jī)逐漸從實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)發(fā)展到面向戰(zhàn)場的真正應(yīng)用。

可以說，技術(shù)的進(jìn)步引領(lǐng)著單兵外骨骼系統(tǒng)的發(fā)展方向，也使得以往無法想象的情景變成了現(xiàn)實(shí)。為了突出技術(shù)引領(lǐng)作用，此次競賽專設(shè)了障礙跨越、武器操控、協(xié)同控制等比賽項(xiàng)目，競賽內(nèi)容貼近部隊(duì)體能訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)環(huán)境。

“這些外骨骼雖好，但會不會束縛戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的發(fā)揮？”有人提出疑問�！皹�(gòu)設(shè)實(shí)戰(zhàn)環(huán)境、考核戰(zhàn)術(shù)能力，建立外骨骼作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系，是我們組織本次挑戰(zhàn)賽的初衷……”一位評委說。

果然，在技術(shù)引領(lǐng)競賽單元中，生龍活虎的競賽場面為我們拉直了這個(gè)問號——單兵穿戴上外骨骼，不但能夠輕松翻越高墻、跨越壕溝、攀爬繩索、穿越管道，還可以靈活操槍、長時(shí)間穩(wěn)定持槍。

“這得益于步態(tài)識別技術(shù)和交互力觸發(fā)系統(tǒng)的發(fā)展，在零力矩點(diǎn)平衡控制基礎(chǔ)上，融合了靈敏度放大控制算法和智能特征識別控制算法�！眮碜浴昂教煊率筷�(duì)”的技術(shù)人員向筆者介紹，通過對外骨骼足底交互力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，跨越障礙時(shí)判斷人體蹬地瞬間的足底動(dòng)作，獲取人體及整個(gè)系統(tǒng)的零力矩點(diǎn)和瞬間力的需求值，然后把計(jì)算結(jié)果反饋給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算調(diào)整后傳給外骨骼驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)對下肢外骨骼的動(dòng)作調(diào)節(jié)，可以穩(wěn)定行走、奔跑、跳躍。

“野戰(zhàn)條件下很難解決能源持續(xù)問題，有源類外骨骼的戰(zhàn)場價(jià)值何在？”觀賽的部隊(duì)官兵提問。

“突破能源限制，是可穿戴外骨骼應(yīng)用研究的世界性難題�，F(xiàn)有電池技術(shù)無法持久地為外骨骼提供能量，需要開發(fā)能量強(qiáng)、體積小、驅(qū)動(dòng)力大、安全性高的驅(qū)動(dòng)裝置。目前可穿戴外骨骼多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，盡管具有穩(wěn)定和承受力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既增加了外骨骼的重量，又限制了外骨骼行走時(shí)的抬腿高度及下蹲幅度�！庇嘘P(guān)專家早就意識到了這個(gè)問題，他們帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)正在研制一種新型纖維織物，利用“人造肌肉”取代液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)外骨骼，有望破解這個(gè)難題。

腦電、肌電等信號采集處理技術(shù)的發(fā)展，為提升單兵外骨骼裝備的控制能力和智能化水平提供了多種途徑。筆者在協(xié)同控制項(xiàng)目競賽現(xiàn)場了解到，通過腦電和肌電控制，單兵還可以解放雙手，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)意圖、語言意圖的感知與識別，從而精準(zhǔn)操控?zé)o人裝備，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同，拓展戰(zhàn)術(shù)空間。“神經(jīng)工程中心隊(duì)”研發(fā)的腦肌電控制設(shè)備，甚至可以在數(shù)十米外，將模擬雷管精準(zhǔn)插入直徑幾厘米的小孔中。

創(chuàng)新演示 面向未來

如今，隨著單兵裝備“以士兵為中心”的發(fā)展理念不斷深入，單兵外骨骼系統(tǒng)必將加速融入下一代單兵裝備體系。

然而，“一招鮮”難以“吃遍天”，打造未來戰(zhàn)場上的“鋼鐵俠”，既需要在單兵外骨骼系統(tǒng)的研究應(yīng)用領(lǐng)域取得突破，又要在其他領(lǐng)域有所創(chuàng)新。

本次競賽，專門設(shè)置了創(chuàng)新演示類項(xiàng)目，設(shè)置了防護(hù)集成、嵌入融合、意圖感知、新興驅(qū)動(dòng)、單兵飛行5大版塊，既有室內(nèi)展示，也有室外演示。那些琳瑯滿目的高科技材料、部件及模塊，扣人心弦的演示展示，讓人嘆為觀止。

“單兵外骨骼除了能夠?yàn)槭勘�提供�?qiáng)大的機(jī)動(dòng)搬運(yùn)能力外，還可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口，加裝不同材料、不同形狀的防護(hù)組件�！�

“本版塊主要展示人工肌肉、仿生動(dòng)力、高功質(zhì)比伺服等外骨骼新興驅(qū)動(dòng)技術(shù)�！�

……

展區(qū)解說員一邊熱情專業(yè)地講解，一邊為觀眾介紹碳化硼、納米、鈦合金材料，以及生理監(jiān)測、通信定位、信息顯示等功能模塊。通過不同材料及模塊組合，就能構(gòu)建滿足不同作戰(zhàn)環(huán)境的外骨骼系統(tǒng)。

在法國獨(dú)立日亮相的Flyboard Air單兵飛行器令人刮目相看，盡管價(jià)格昂貴、壽命較短、操作性差，但當(dāng)它用時(shí)22分鐘飛躍英吉利海峽時(shí)，贏得了全世界的掌聲。而在這次室外展演項(xiàng)目中，有關(guān)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單兵飛行器一出場便成為焦點(diǎn)：該飛行器不僅可以完成空中懸停、精確繞彎、快速機(jī)動(dòng)等戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，還可以實(shí)現(xiàn)遙控操作，并搭載武器精準(zhǔn)射擊。

展示區(qū)出現(xiàn)的飛行概念背包，雖然只是一個(gè)概念產(chǎn)品，但相關(guān)理論已經(jīng)成熟，研發(fā)進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段。尤其配備以液態(tài)氫氣為主要燃料的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品，靈活性、機(jī)動(dòng)性、推進(jìn)力更強(qiáng)，不但可以實(shí)現(xiàn)垂直起降，還可以通過可視化控制屏隨時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控飛行狀態(tài)，甚至可以啟用應(yīng)急浮力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)著陸。

除此之外，筆者在展區(qū)中還看到了一款仿人體的“鎧甲”，是集成了全身輕型護(hù)甲、助力外骨骼、內(nèi)置顯示器等綜合性能的先進(jìn)外骨骼系統(tǒng)。它能夠加裝先進(jìn)防護(hù)模塊，戰(zhàn)士穿上它，能瞬間變身刀槍不入的“鋼鐵俠”。

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